Biodigestão anaeróbia da vinhaça em reatores contínuos de leito fixo visando à produção de butanol

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Main Author: Valença, Juliana Martins, 1987-
Publication Date: 2020
Format: Doctoral thesis
Language: por
Source: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Download full: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1639481
Summary: Orientadores: Ariovaldo José da Silva, Gustavo Mockaitis
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spelling Biodigestão anaeróbia da vinhaça em reatores contínuos de leito fixo visando à produção de butanolAnaerobic digestion of vinasse in continuous fixed bed reactors aiming the production of butanolDigestão anaeróbiaClostridiumÁlcooisÁcidos orgânicosBiologia molecularAnaerobic digestionClostridiumAlcoholsOrganic acidsMolecular biologyOrientadores: Ariovaldo José da Silva, Gustavo MockaitisTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia AgrícolaResumo: A vinhaça é o resíduo líquido gerado no processo agroindustrial de obtenção do etanol a partir da cana-de-açúcar. Esse efluente é produzido em grandes quantidades e atualmente é utilizado principalmente como fertilizante em plantações de cana, mesmo possuindo um elevado potencial poluidor, podendo causar impactos às águas subterrâneas e ao solo. Uma alternativa interessante à disposição direta no solo consiste no processamento da vinhaça por biodigestão anaeróbia, processo que pode transformá-la em biocombustíveis como o butanol, o qual apresenta diversas vantagens frente aos combustíveis convencionais. Nesse contexto, o objetivo geral do presente trabalho consistiu na produção de butanol (BuOH) por biodigestão anaeróbia da vinhaça em reatores contínuos de leito fixo dispostos em série, o primeiro acidogênico (R1) e o segundo solventogênico (R2), constituindo um arranjo que ainda não foi amplamente estudado para a finalidade desejada. Para tanto, ensaios preliminares foram conduzidos em modo batelada a fim de verificar os comportamentos dos metabólitos em função de diversas variáveis relevantes, a saber, natureza do substrato (vinhaça sintética, preparada em laboratório, e solução aquosa de glicose), concentração do substrato (DQO da vinhaça sintética), pH e cultura de microrganismos (lodo de bovinocultura e as culturas puras de Clostridium spp.). O processo com reatores contínuos foi realizado em duas etapas, com o reator R1 inoculado com lodo de bovinocultura e o R2, com uma cultura de C. acetobutylicum ATCC 824 e C. beijerinckii ATCC 25752: a primeira etapa com vinhaça sintética, para analisar a influência do Tempo de Detenção Hidráulica (TDH), e a segunda etapa com vinhaça real, coletada em uma usina sucroalcooleira, para avaliar a influência da concentração de Demanda Química de Oxigênio (DQO). Nos ensaios em batelada, o metabólito predominante foi o ácido lático, o que sugeriu que a fermentação seguiu por uma rota lática mediante a interrupção precoce da rota bioquímica de produção do butanol. Também nos ensaios em batelada, observou-se que houve solventogênese nos ensaios com glicose como substrato, porém com geração somente do etanol. Na primeira etapa de operação do sistema de reatores contínuos, a máxima concentração média de butanol foi de 612 mg BuOH L-1, verificada no TDH de 12 h, resultando em uma produtividade e um rendimento globais de 51 mg BuOH L-1 h-1 e 0,048 mg BuOH (mg carb)-1. Já na segunda etapa de operação, a máxima concentração média foi de 575 mg BuOH L-1, obtida na DQO de 32 g DQO L-1, associada, por sua vez, a uma produtividade e um rendimento globais de 48 mg BuOH L-1 h-1 e 0,110 mg BuOH (mg carb)-1, respectivamente. As análises de biologia molecular das comunidades de microrganismos existentes nos reatores contínuos indicaram a prevalência, em fases e reatores específicos, dos seguintes gêneros de bactérias: Caproiciproducens, Clostridium sensu strictu, Desulfovibrio, Lactobacillus e Sporolactobacillus. Todos eles foram identificados como responsáveis pela produção de vários dos metabólitos detectados durante a operação em modo contínuo. Como conclusão geral, verificou-se a viabilidade da produção de butanol via biodigestão anaeróbia da vinhaça em reatores contínuos de leito fixo. Nesse sentido, a vinhaça mostrou potencial para uso como substrato, sendo interessante, contudo, suplementá-la com carboidratos a fim de estimular a geração do solventeAbstract: Vinasse is the liquid waste generated in the agroindustrial ethanol process from sugarcane. This effluent is produced in great amounts and nowadays it is utilized mainly as a fertilizer in sugarcane crops, even it has a high polutting potential, which can cause impacts on the groundwater and the soil. An interesting alternative to the direct disposition of vinasse on soil is its processing by means of anaerobic digestion, a process than can transform vinasse in biofuels such as butanol, which presents several advantages in comparison to conventional fuels. In this context, general goal of the present work was the production of butanol (BuOH) through anaerobic digestion of vinasse in fixed bed continuous reactors in series, the first one is acidogenic (R1) and the second one is solventogenic (R2), in an arrangement that was not extensively studied yet for the desired purpose. In this way, preliminary experiments were realized in batch mode to verify the behaviours of metabolites due to several relevant variables, namely type of substrate (synthetic vinasse made in laboratory and glucose aqueous solution), substrate concentration (COD of synthetic vinasse), pH and microrganism culture (cattle sludge and pure cultures of Clostridium spp.). Process with continuous reactors was executed in two steps, and reactor R1 was innoculated with cattle sludge, while reactor R2 was innoculated with a culture composed of C. acetobutylicum ATCC 824 e C. beijerinckii ATCC 25752. First step was conducted with synthetic vinasse as substrate, aiming to analyze the influence of Hydraulic Retention Time (HRT). The second step was perfomed with real vinasse, from a sugar and alcohol industry, aiming to evaluate the effect of COD (Chemical Oxygen Demand) concentration. In batch tests, predominant metabolite was lactic acid, suggesting that fermention followed a lactic route through early interruption of biochemical route of butanol production. Also in batch tests, it was observed that there was solventogenesis with glucose as substrate, however only ethanol was generated. In the first step of operation with continuous reactors system, the highest average concentration of butanol was 612 mg BuOH L-1, verified at HRT 12 h, resulting in global productivity and global yield of 51 mg BuOH L-1 h-1 and 0.048 mg BuOH (mg carb)-1, respectively. In the second step, the highest concentration attained was 575 mg BuOH L-1, verified at COD of 32 g COD L-1, associated to a global productivity and a global yield of 48 mg BuOH L-1 h-1 and 0.110 mg BuOH (mg carb)-1, respectively. Molecular biology analyses of microbial communities existing in continuous reactors indicated the prevalence of the following bacteria genera in some specific phases and reactors: Caproiciproducens, Clostridium sensu strictu, Desulfovibrio, Lactobacillus e Sporolactobacillus. All of them were identified as responsibles for production of several metabolites detected during operation in continuous mode. As a general conclusion, it was verified the feasibility of butanol production by means of vinasse anaerobic digestion in fixed bed continuous reactors. In this sense, vinasse showed some potential to be used as substrate, however it is interesting to supplement it with carbohydrates in order to stimulate solvent generationDoutoradoÁgua e SoloDoutora em Engenharia AgrícolaCNPQ142340/2016-2[s.n.]Silva, Ariovaldo José da, 1966-Mockaitis, Gustavo, 1979-Mariano, Adriano PintoOkada, Dagoberto YukioMaintinguer, Sandra ImaculadaFuess, Lucas TadeuUniversidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia AgrícolaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia AgrícolaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASValença, Juliana Martins, 1987-20202020-02-10T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (286 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1639481VALENÇA, Juliana Martins. Biodigestão anaeróbia da vinhaça em reatores contínuos de leito fixo visando à produção de butanol. 2020. 1 recurso online (286 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1639481. Acesso em: 15 mai. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1141278Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-08-11T10:17:00Zoai::1141278Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2020-08-11T10:17Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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