O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis. / The present study investigated the application of two types of AnSBBR (anaerobic reactors with biofilm and operated in batch and fed-batch sequences: with recirculation of the liquid phase and with agitation) for biohydrogen production treating synthetic wastewater (cheese whey and lactose-based, respectively). The AnSBBR with recirculation of the liquid phase, which was the main study of this work, presented problems in the hydrogen production using cheese whey as substrate. Some alternatives, such as adaptation of the biomass with pure substrates of easier degradation, pH control at very low values and different forms of inoculation were tested but without achieving success. The solution of the problem was obtained by cooling the feed medium at 4ºC to prevent fermentation in the storage flasks, removing the urea and the nutrient supplementation, and performing periodic washing of the support material for the removal of part of the biomass. Thus, H2S production evidences by possible action of sulphate-reducing bacteria (SRB) were eliminated, reaching a stable production of hydrogen without eliminate the presence of methane completely, which was produced in low concentrations. After reaching the stability, it was investigated the influence of the influent concentration of the substrate, the influence of the filling time and the influence of the temperature on the production of biohydrogen in an AnSBBR with recirculation of the liquid phase treating cheese whey. The study of the influent concentration showed an optimum point for the concentration of 5400 mgDQO.L-1, reaching values of 0.80 mol H2.mol-1lactose and 660 mL H2.L-1.d-1. The study of the filling time showed similar results for the analyzed conditions. With respect to the temperature, the best results were obtained with the lowest temperature tested of 15ºC (1.12 mol H2.mol-1lactose and 1080 mL H2.L-1.d-1), while the highest temperature tested (45ºC) didn\'t produce hydrogen. For the AnSBBR with mechanical stirring (which was an additional study that was performed by the fact that the lactose is the main component of the cheese whey) the performance of the bioreactor was evaluated in accordance with the joint influence og the cycle time (tC - 2, 3 and 4 h ), the influent concentration (CSTA - 3600-5400 mgDQO.L-1) and the applied volumetric organic load (COAV - 9.3, 12.3, 13.9, 18.5 and 27.8 mgDQO.L-1.d-1). Excellent results were obtained: consumption of carbohydrates (lactose) always above 90% and a stable production of biohydrogen in all conditions studied, with low methane concentrations just in the condition with the biggest COAV. The decrease in the tC showed a clear trend of improvement of the RMCRC,n (molar yield between the hydrogen produced and removed carbohydrate) only for the conditions with the low influent concentration (CSTA). There was a direct relationship between CSTA and RMCRC,n in all values of tC, except for the cycle time of 3 hours, exactly in which there was methane production. The best value of RMCRC,n obtained in the operation with lactose (1.65 mol H2.mol-1Lactose) was superior to those obtained in other studies using the same reactor configuration and sucrose as substrate. Phylogenetic analysis showed that the majority of the analyzed clones was similar to Clostridium. In addition, clones phylogenetically similar to Lactobacilaceae family, specifically Lactobacillus rhamnosus, were observed in a small proportion in the reactor, as well as clones with similar sequences of Acetobacter indonesiensis.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-11052016-092510 |
| Date | 02 June 2015 |
| Creators | Lima, Daniel Moureira Fontes |
| Contributors | Rodrigues, José Alberto Domingues |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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