O presente estudo teve como principal objetivo avaliar a capacidade de produção contínua de hidrogênio, sob condições termofílicas (55ºC), a partir de diferentes concentrações de vinhaça de cana-de-açúcar em reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF) utilizando argila expandida como material suporte para adesão microbiana. Foram utilizados cinco reatores de idêntica configuração, denominados R5, R10, R15, R20 e R30, com variação na concentração afluente de 5000, 10.000, 15.000, 20.000 e de 30.000 mg DQO L-1, respectivamente (com cargas orgânicas volumétricas- TCO entre 15 e 720 kg DQO m-3 d-1). O tempo de detenção hidráulica (TDH) reduziu de 8, 6, 4, 2 e 1 h. Na estratégia de operação de um deles, (R5) investigou-se os efeitos da co-fermentação de porcentagens de glicose e de vinhaça no substrato de alimentação. Os outros quatro reatores foram operados mediante a adição de glicose como co-substrato ao afluente, apenas durante o período de partida operacional. Em todos os reatores, foi observado comportamento de elevação na produção volumétrica de H2 (PVH) a partir da diminuição do TDH. A máxima PVH obtida foi de de 1,96 L h-1 L-1 (R10; TDH de 1h; TCO de 240 kg DQO m-3 d-1). No entanto, verificou-se diminuição do rendimento de H2 (HY) e no conteúdo de H2 no biogás, com a aplicação dos TDH reduzidos, em todos os reatores, alcançando valor máximo de 4,62 mmol g DQOadicionada-1 no TDH de 8 h (R5) e 57.51% de H2 no TDH de 6 h (R20). O reator operado com a maior concentração de vinhaça (R30) apresentou menores valores de produção de H2, atribuídos aos compostos inibitórios (elevada concentração de ácidos voláteis no afluente - butírico e acético). As análises de clonagem e sequenciamento dos consórcios bacterianos termofílicos revelaram semelhanças (99%) com cepas produtoras de H2, como Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Clostridium cellulosi, Lactobacillus fermentum e Megasphaera elsdenii. A capacidade de produzir H2, a distribuição dos ácidos e a estrutura da comunidade bacteriana foram fatores influenciados pelo aumento da concentração de vinhaça e das TCO aplicadas. / The present study aimed to evaluate the ability of continuous hydrogen production under thermophilic conditions (55 °C), from different sugar cane vinasse concentrations in anaerobic fluidized bed reactor (AFBR) using expanded clay as support material for microbial adhesion. Five reactors of identical configuration were used, denominated R5, R10, R15, R20 and R30, followed by influent variation concentration of 5000; 10,000; 15,000; 20,000 and 30,000 mg COD L-1, respectively (with organic loading rate- OLR varying from 15 to 720 kg COD m-3 d-1). The hydraulic retention time (HRT) decreases from 8, 6, 4, 2 and 1 h. The strategy applied to one of those (R5), investigated the co-fermentations effects across the application of different percentages of glucose and stillage in the fed substrate. The other four reactors were operated by adding glucose as co-substrate to the influent just during the start-up period. In all reactors, it was observed a volumetric H2 production (HPR) increase behavior from the HRT decrease. The maximum HPR obtained was 1.96 L h-1 L-1 (R10; HRT of 1h; OLR of 240 kg COD m-3 d-1). However, there was a decrease in H2 yield (HY) and H2 content in biogas, with the application of reduced HRT for all reactors, reaching maximum value of 4.62 mmol g CODadded-1 at HRT of 8 h (R5) and 57.51% of H2 at HRT of 6 h (R20). The reactor operated with the highest concentration of stillage (R30) showed lower values for H2 production, attributed to inhibitory compounds (high concentration of volatile acids in the affluent - butyric and acetic). The cloning and sequencing analyzes of the thermophilic bacterial consortium showed similarity (99%) with H2 producing strains, such as Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Clostridium cellulosi, Lactobacillus fermentum and Megasphaera elsdenii. The ability to produce H2, the distribution of organic acids and the bacterial community structure analyzed in all reactors were factors influenced by the increasing stillage concentration and OLR applied.

O presente estudo teve como principal objetivo avaliar a capacidade de produção contínua de hidrogênio, sob condições termofílicas (55ºC), a partir de diferentes concentrações de vinhaça de cana-de-açúcar em reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF) utilizando argila expandida como material suporte para adesão microbiana. Foram utilizados cinco reatores de idêntica configuração, denominados R5, R10, R15, R20 e R30, com variação na concentração afluente de 5000, 10.000, 15.000, 20.000 e de 30.000 mg DQO L-1, respectivamente (com cargas orgânicas volumétricas- TCO entre 15 e 720 kg DQO m-3 d-1). O tempo de detenção hidráulica (TDH) reduziu de 8, 6, 4, 2 e 1 h. Na estratégia de operação de um deles, (R5) investigou-se os efeitos da co-fermentação de porcentagens de glicose e de vinhaça no substrato de alimentação. Os outros quatro reatores foram operados mediante a adição de glicose como co-substrato ao afluente, apenas durante o período de partida operacional. Em todos os reatores, foi observado comportamento de elevação na produção volumétrica de H2 (PVH) a partir da diminuição do TDH. A máxima PVH obtida foi de de 1,96 L h-1 L-1 (R10; TDH de 1h; TCO de 240 kg DQO m-3 d-1). No entanto, verificou-se diminuição do rendimento de H2 (HY) e no conteúdo de H2 no biogás, com a aplicação dos TDH reduzidos, em todos os reatores, alcançando valor máximo de 4,62 mmol g DQOadicionada-1 no TDH de 8 h (R5) e 57.51% de H2 no TDH de 6 h (R20). O reator operado com a maior concentração de vinhaça (R30) apresentou menores valores de produção de H2, atribuídos aos compostos inibitórios (elevada concentração de ácidos voláteis no afluente - butírico e acético). As análises de clonagem e sequenciamento dos consórcios bacterianos termofílicos revelaram semelhanças (99%) com cepas produtoras de H2, como Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Clostridium cellulosi, Lactobacillus fermentum e Megasphaera elsdenii. A capacidade de produzir H2, a distribuição dos ácidos e a estrutura da comunidade bacteriana foram fatores influenciados pelo aumento da concentração de vinhaça e das TCO aplicadas. / The present study aimed to evaluate the ability of continuous hydrogen production under thermophilic conditions (55 °C), from different sugar cane vinasse concentrations in anaerobic fluidized bed reactor (AFBR) using expanded clay as support material for microbial adhesion. Five reactors of identical configuration were used, denominated R5, R10, R15, R20 and R30, followed by influent variation concentration of 5000; 10,000; 15,000; 20,000 and 30,000 mg COD L-1, respectively (with organic loading rate- OLR varying from 15 to 720 kg COD m-3 d-1). The hydraulic retention time (HRT) decreases from 8, 6, 4, 2 and 1 h. The strategy applied to one of those (R5), investigated the co-fermentations effects across the application of different percentages of glucose and stillage in the fed substrate. The other four reactors were operated by adding glucose as co-substrate to the influent just during the start-up period. In all reactors, it was observed a volumetric H2 production (HPR) increase behavior from the HRT decrease. The maximum HPR obtained was 1.96 L h-1 L-1 (R10; HRT of 1h; OLR of 240 kg COD m-3 d-1). However, there was a decrease in H2 yield (HY) and H2 content in biogas, with the application of reduced HRT for all reactors, reaching maximum value of 4.62 mmol g CODadded-1 at HRT of 8 h (R5) and 57.51% of H2 at HRT of 6 h (R20). The reactor operated with the highest concentration of stillage (R30) showed lower values for H2 production, attributed to inhibitory compounds (high concentration of volatile acids in the affluent - butyric and acetic). The cloning and sequencing analyzes of the thermophilic bacterial consortium showed similarity (99%) with H2 producing strains, such as Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Clostridium cellulosi, Lactobacillus fermentum and Megasphaera elsdenii. The ability to produce H2, the distribution of organic acids and the bacterial community structure analyzed in all reactors were factors influenced by the increasing stillage concentration and OLR applied.

Métodos de Microbiologia de anaeróbios estritos e de Biologia Molecular foram empregados para se conhecer a diversidade de microrganismos relacionados à degradação de ascarel em reatores anaeróbios metanogênicos. A avaliação de potencial metanogênico foi realizada para a escolha da melhor condição nutricional, bem como, para a seleção de material suporte e solvente adequado a solubilização do ascarel. Nos ensaios em batelada, a produção de metano foi maior nos reatores contendo etanol (média de 0,22 - 0,46 molCH4/gSTV, 46h). Remoção de 85,6% (86,7 mg/L de PCB em Aroclor 1016 e 1260) foi obtida na condição com espuma de poliuretano, etanol (46g/L) e formiato (680 mg/L). Diferentes solventes e surfactantes, tais como, DMSO, dioxano, ácido acético, ácido fórmico, n-hexano, acetona, etano, metanol, Tween 80, SDS (10%) e Triton X-100 foram avaliados para a solubilização de ascarel. Dentre esses, metanol, Triton X-100 e ácido fórmico foram eleitos para a realização de ensaio em reatores em batelada contendo espuma de poliuretano, com o propósito de avaliar o potencial metanogênico na degradação de PCB. Os valores de produção de metano foram muito semelhantes (0,21 0,38 molCH4/mLgSTV, 45h) nas diferentes condições, no entanto, a remoção de PCB foi maior nos reatores com metanol 790 mg/L (86,6%), ácido Fórmico 600 mg/L (84,5%) e Triton X-100 1% (72,1%). Portanto, a melhor condição foi contemplada para a operação do reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF) no tratamento do ascarel, ou seja, células imobilizadas em espuma de poliuretano, etanol e formiato (como fonte de carbono), Triton X-100 (0,1%) e metanol (como solvente). No RAHLF, a remoção média de matéria orgânica (DQO) foi de 91% para concentração afluente média de 1270 mg/L. A presença de morfologias semelhantes à Methanosarcina e bacilos fluorescentes foi confirmada em exames microscópicos. Na análise filogenética, por meio de PCR/DGGE e seqüenciamento das bandas recortadas, os grupos encontrados foram relacionados aos Filos Proteobacteria, Firmicutes, Spirochaetes, Chlorobi e Chloroflexi, sendo que neste último estão incluídos representantes relacionados a degradação de PCBs. Dentre as arquéias metanogênicas verificou-se similaridade de 99% e 97% com Methanosaeta sp. e Methanolinea sp., relacionadas com a metanogenese acetoclástica e hidrogenotrófica, respectivamente / Molecular biology and microbiology methods were used to study the microbial communities related to degradation of ascarel at methanogenic conditions in an anaerobic reactor. The methanogenic potential was evaluated to choose the better nutritional condition as well as to select the better support material and the most suitable solvent to favor the solubilization of ascarel. The methane production was higher (0.22 0.46 molCH4/mLgSTV, 46h) in batch reactors containing ethanol (46 g/L) and formate (680 mg/L), the PCB elimination attaining 85.6% (86.7 mg/L de PCB as Aroclor 1016 and 1260) when Polyuretane foam was used as support material. Different solvents, namely DMSO, dioxane, n-hexane, acetic acid, formic acid, acetone, ethane, methanol, and surfactants, such as 10% SDS,, Triton X-100, were evaluated aiming o determine the better condition to solubilize ascarel. According to the results of such experiments, methanol, formic acid and Triton X-100 were selected for carrying out the batch experiments in reactors containing polyurethane foam to evaluate the methane production during the PCBs degradation. Regardless of the operation conditions the methane production rates were similar (0.21 0.38 molCH4/gSTV, 45h), however the elimination of PCB was higher in the reactors containing methanol (790 mg/L), formic acid (600 mg/L) and Triton X-100 (1%). Therefore, the better condition for treating ascarel-containing residues in a bench-scale horizontal-flow immobilized biomass (HAIB) was attained with cells immobilized in polyurethane foam when ethanol and formate were used as carbon sources, and in presence of Triton X-100 and methanol, the average elimination of organic material attaining 91% for affluent concentration of 1270 mg/L. The presence of Methanosarcina and fluorescent rods was confirmed by microscopy analysis. According to the filogenetics analysis, which was carried out by PCR/DGGE and band-sequencing, the Bacteria domain are related to the Filos Proteobacteria, Firmicutes, Spirochaetes, Chlorobi and Chloroflexi, this latter being directly related to the degradation of PCB. Among the methanogenic Archea, a similiraty of 99% and 97% was observed to Methanosaeta sp. and Methanolinea sp. related to acetoclastic and hydrogenthrophic methanogenesis, respectively

Métodos de Microbiologia de anaeróbios estritos e de Biologia Molecular foram empregados para se conhecer a diversidade de microrganismos relacionados à degradação de ascarel em reatores anaeróbios metanogênicos. A avaliação de potencial metanogênico foi realizada para a escolha da melhor condição nutricional, bem como, para a seleção de material suporte e solvente adequado a solubilização do ascarel. Nos ensaios em batelada, a produção de metano foi maior nos reatores contendo etanol (média de 0,22 - 0,46 molCH4/gSTV, 46h). Remoção de 85,6% (86,7 mg/L de PCB em Aroclor 1016 e 1260) foi obtida na condição com espuma de poliuretano, etanol (46g/L) e formiato (680 mg/L). Diferentes solventes e surfactantes, tais como, DMSO, dioxano, ácido acético, ácido fórmico, n-hexano, acetona, etano, metanol, Tween 80, SDS (10%) e Triton X-100 foram avaliados para a solubilização de ascarel. Dentre esses, metanol, Triton X-100 e ácido fórmico foram eleitos para a realização de ensaio em reatores em batelada contendo espuma de poliuretano, com o propósito de avaliar o potencial metanogênico na degradação de PCB. Os valores de produção de metano foram muito semelhantes (0,21 0,38 molCH4/mLgSTV, 45h) nas diferentes condições, no entanto, a remoção de PCB foi maior nos reatores com metanol 790 mg/L (86,6%), ácido Fórmico 600 mg/L (84,5%) e Triton X-100 1% (72,1%). Portanto, a melhor condição foi contemplada para a operação do reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF) no tratamento do ascarel, ou seja, células imobilizadas em espuma de poliuretano, etanol e formiato (como fonte de carbono), Triton X-100 (0,1%) e metanol (como solvente). No RAHLF, a remoção média de matéria orgânica (DQO) foi de 91% para concentração afluente média de 1270 mg/L. A presença de morfologias semelhantes à Methanosarcina e bacilos fluorescentes foi confirmada em exames microscópicos. Na análise filogenética, por meio de PCR/DGGE e seqüenciamento das bandas recortadas, os grupos encontrados foram relacionados aos Filos Proteobacteria, Firmicutes, Spirochaetes, Chlorobi e Chloroflexi, sendo que neste último estão incluídos representantes relacionados a degradação de PCBs. Dentre as arquéias metanogênicas verificou-se similaridade de 99% e 97% com Methanosaeta sp. e Methanolinea sp., relacionadas com a metanogenese acetoclástica e hidrogenotrófica, respectivamente / Molecular biology and microbiology methods were used to study the microbial communities related to degradation of ascarel at methanogenic conditions in an anaerobic reactor. The methanogenic potential was evaluated to choose the better nutritional condition as well as to select the better support material and the most suitable solvent to favor the solubilization of ascarel. The methane production was higher (0.22 0.46 molCH4/mLgSTV, 46h) in batch reactors containing ethanol (46 g/L) and formate (680 mg/L), the PCB elimination attaining 85.6% (86.7 mg/L de PCB as Aroclor 1016 and 1260) when Polyuretane foam was used as support material. Different solvents, namely DMSO, dioxane, n-hexane, acetic acid, formic acid, acetone, ethane, methanol, and surfactants, such as 10% SDS,, Triton X-100, were evaluated aiming o determine the better condition to solubilize ascarel. According to the results of such experiments, methanol, formic acid and Triton X-100 were selected for carrying out the batch experiments in reactors containing polyurethane foam to evaluate the methane production during the PCBs degradation. Regardless of the operation conditions the methane production rates were similar (0.21 0.38 molCH4/gSTV, 45h), however the elimination of PCB was higher in the reactors containing methanol (790 mg/L), formic acid (600 mg/L) and Triton X-100 (1%). Therefore, the better condition for treating ascarel-containing residues in a bench-scale horizontal-flow immobilized biomass (HAIB) was attained with cells immobilized in polyurethane foam when ethanol and formate were used as carbon sources, and in presence of Triton X-100 and methanol, the average elimination of organic material attaining 91% for affluent concentration of 1270 mg/L. The presence of Methanosarcina and fluorescent rods was confirmed by microscopy analysis. According to the filogenetics analysis, which was carried out by PCR/DGGE and band-sequencing, the Bacteria domain are related to the Filos Proteobacteria, Firmicutes, Spirochaetes, Chlorobi and Chloroflexi, this latter being directly related to the degradation of PCB. Among the methanogenic Archea, a similiraty of 99% and 97% was observed to Methanosaeta sp. and Methanolinea sp. related to acetoclastic and hydrogenthrophic methanogenesis, respectively