O processamento do café via úmida inclui as etapas de despolpamento, fermentação, lavagem e separação dos grãos, no qual gera-se grande quantidade de resíduos sólidos (casca e polpa) e água residuária. O estudo dos aspectos microbiológicos na produção de hidrogênio a partir de resíduos do processamento do café é pouco explorado, o que torna esse resíduo atrativo e foco de pesquisas. Neste cenário, buscou-se avaliar o potencial uso destes resíduos como substrato e fonte de bactérias e fungos fermentativos para produção de H2. Adicionalmente, estudou-se a homoacetogênese, processo que afeta a produção de H2, uma vez que o H2/CO2 pode ser consumido para a síntese de ácido acético. Para isso, ensaios em reatores em batelada foram conduzidos para seleção da melhor condição de pré-tratamento hidrotérmico (severidade), dos fatores da fermentação (pH, temperatura, agitação, volume do headspace, concentração de bioaumentação do consórcio microbiano, resíduo de polpa e casca, água residuária e extrato de levedura) que afetam a produção de H2 (Planejamento Plackett-Burman) e homoacetogênese (planejamento fracionado 24-1), seguido do delineamento composto central rotacional (DCCR) para otimização da produção de hidrogênio. Verificou-se que a severidade de pré-tratamento hidrotérmico de 3,53 (180 °C, 15 minutos), resultaram no aumento da concentração de açúcares fermentáveis, com baixa concentração de lignina, fenol, furfural e 5-hidroximentil furfural, obtendo valores de potencial máximo de produção de H2 (P) de 1,8 mL H2. Em relação ao efeito dos fatores da fermentação sobre a produção de H2, obteve-se o maior P de 82 mL H2 em pH 7,0, 30 g DQO L-1 de água residuária, 6 g L-1 de polpa e casca, 30 ºC, 50% de headspace, 180 rpm, sem bioaumentação do consórcio microbiano e 2 g L-1 de extrato de levedura. Por outro lado, as condições que conduziram a consumo significativo de H2 por homoacetogênese foram em pH inicial entre 5,5 e 7,5, headspace entre 40 e 60%, concentração de água residuária entre 10 e 30 g DQO L-1 e concentração de casca e polpa entre 3 e 9 g L-1. Em relação às variáveis estatisticamente significativas (pH, concentração de polpa e casca e volume do headspace), as condições operacionais ótimas para obtenção de P de 240 mL H2, estimadas via planejamento DCCR, foram em pH 7,0, concentração de polpa e casca 7 g L-1 e volume de headspace 30%. No consórcio microbiano, houve predominância de bactérias semelhantes a Lactobacillus sp. e Clostridium sp. e de fungos semelhantes a Saccharomyces sp. e Kazachstania sp. Tais microrganismos foram associados a produção de ácido lático, H2, etanol e ácido acético nos reatores, identificando genes relacionados a enzimas para a degradação de lignina, fenol, celulose, hemicelulose e pectina. Observou-se alta abundância relativa de Clostridium sp. tanto nos ensaios de produção de H2 quanto nos ensaios com consumo de hidrogênio, sendo seus genes associados a homoacetogênese, produção de ácido propiônico e butanol. / Wet coffee processing includes pulping, fermentation, washing and grain separation, in which large amounts of solid waste (husk and pulp) and wastewater are generated. The study of microbiological aspects in the hydrogen production from coffee waste was little explored, which makes this residue attractive and the focus of research. In this scenario, we evaluate the potential use of coffee waste as substrate and source of fermentative bacteria and fungi for H2 production. In addition, homoacetogenesis, a process, that negatively affects H2 production, was studied since H2/CO2 can be consumed for acetic acid production. Assays in batch reactors were conducted to select the best hydrothermal pretreatment condition (severity), fermentation factors affecting the H2 production (pH, temperature, agitation, headspace, bioaugmentation of microbial consortium, concentration of pulp and husk, wastewater and yeast extract) (Plackett and Burman design) and homoacetogenesis (fractional factorial design 24-1), followed by the Rotational Central Composite Design (RCCD) to optimize the H2 production. It was verified that the hydrothermal pretreatment severity of 3,53 (180 °C, 15 minutes), resulted in the increase of fermentable sugars, with low concentration of lignin, phenol, furfural and 5-hydroxyximethyl furfural, obtaining values of the maximum H2 production potential (P) of 1,8 mL H2. The fermentation factors conducing to highest P of 82 mL H2 were pH 7,0, wastewater 30 g COD L-1, 6 g L-1 pulp and husk, 30 °C, 50% headspace, 180 rpm, without bioaugmentation of the microbial consortium and 2 g L-1 yeast extract. On the other hand, the conditions leading to significant H2 consumption by homoacetogenesis were initial pH between 5,5 and 7,5, headspace between 40 and 60%, wastewater concentration between 10 and 30 g COD L-1 and concentration of husk and pulp between 3 and 9 g L-1. In relation to the fermentation factors statistically significant in the H2 production (pH, pulp and husk concentration and headspace), the optimal operational conditions to obtain P of 240 mL H2, estimated through RCCD design, were at pH 7,0, 7 g L-1 pulp and husk concentration and 30% headspace volume. In the microbial consortium, there was a predominance of bacteria similar to Lactobacillus sp. and Clostridium sp. and fungi similar to Saccharomyces sp. and Kazachstania sp. These microorganisms were associated with the production of H2, lactic acid, ethanol and acetic acid in the reactors, identifying genes related to enzymes for the degradation of lignin, phenol, cellulose, hemicellulose and pectin. There was a high relative abundance of Clostridium sp. both in the H2 production assays and in the H2 consumption assays, with genes associated to homoacetogenesis, production of propionic acid and butanol.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-17062019-103156 |
| Date | 17 May 2019 |
| Creators | Montoya, Alejandra Carolina Villa |
| Contributors | Silva, Maria Bernadete Amancio Varesche |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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