Iv symposium on Agricultural and Agroindustrial Waste Management



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IV Symposium on Agricultural and Agroindustrial Waste Management



May 5-7, 2015 - Rio de Janeiro, Brazil



Aplicação de águas residuárias citrícolas na produção bioenergética de H2
Pachiega, R.1, de Oliveira, J. E.1, Maintinguer, S.I.1
1Institute of Chemistry of Araraquara, CEMPEQC - Center for Monitoring and Research of the Quality of Fuels, Biofuels, Crude Oil, and Derivatives, Institute of Chemistry, (UNESP), 14801-970 Araraquara, SP, Brazil

e-mail: renanpachiega@gmail.com
ABSTRACT: To test the hydrogen producing potential of the citric wastewater the inoculum used was an anaerobic sludge from UASB reactor treating domestic sewage, pre-treated previously. It was reactivated on Del Nery synthetic media (1 g L-1 of peptone, 0.04 g L-1 urea and 2.5 mL of vitamins solutions and 5 g L-1 of fructose), pH 5.5, at 37oC. The assays were made in triplicates of anaerobic batch reactors (2 L) with different percentages of wastewater and Del Nery synthetic media, headspace with N2 (100%), pH 5.5 at 37°C. The assays were prepared as follow: (I) 50% of wastewater and 50% of synthetic media; (II) 80% of wastewater and 20 % of synthetic media; (III) 100% of wastewater with Del Nery vitamins solutions. The maximum H2 generations were done by gas chromatography (7.1, 33.8 and 78.9 mmol H2 L-1), observed at 48, 41.8 and 60.8 hours, respectively during the essays (I), (II) and (III). The H2 yields for the essays (I), (II) and (III) were 1.0, 2.4 and 5.2 mmol H2 mol-1 of substrate. Microscopic analysis of biomass showed the predominance of Gram-positive rods and rods with endospores; whose morphology is characteristic of H2-generating bacteria. Organic acids as acetic and butyric were observed at the end of the assays. The high potential of biohydrogen production from the citric wastewater was demonstrated in this study. Therefore, the crude wastewater can be applied on bio-hydrogen generation.

Keywords: H2, rods, citric wastewater.
INTRODUÇÃO

O uso global indiscriminado de combustíveis fósseis se tornou um grande problema, resultando no aumento do aquecimento global e do efeito estufa, devido, em grande parte, aos gases produzidos por este tipo de combustível (Lay et al 2013). Fontes renováveis de energia é extremamente necessário, tendo o objetivo de diminuir a demanda de combustíveis fósseis e os problemas causados por ele. Muitos trabalhos vem sendo desenvolvidos na busca por esta alternativa energética. O gás hidrogênio que possui capacidade energética elevadas (122 kj g-1) pode ser uma opção (Tawfik 2014). Dentre os processos para sua obtenção destaca-se a produção biológica, por exigir menos energia, ser mais vantajoso economicamente e poder utilizar resíduos para sua produção. O uso de águas residuárias para geração de bio hidrogênio está em foco em muitas pesquisas conduzidas atualmente, principalmente, pela questão da remoção de matéria orgânica a partir desses resíduos e a possibilidade simultânea de geração de energia limpa (Thanwised, 2012). Outro aspecto favorável são as temperaturas médias anuais de 25°C de países tropicais como o Brasil que propiciam ambiente adequado para o crescimento bacteriano e consequente operação de reatores biológicos. Nesse sentido, o presente estudo teve como objetivo a produção de bio H2 a partir de água residuária de indústria a citrícola com inóculo proveniente de sistema de tratamento de esgoto doméstico (São José do Rio Preto).

MATERIAL E METODOS

O inóculo proveniente de um reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) tratando esgoto doméstico do município de SÃO JOSÉ RIO PRETO - SP – BRASIL, foi reativado e pré tratado à quente (100°C-20min/ 25°C -20min.) para que houvesse a inativação de possíveis microrganismos metanogênicos. O inóculo foi reativado em frutose (5 g L-1) em um reator anaeróbio em batelada durante 72 horas, contendo meio sintético (Del Nery 1987): peptona 1g L-1 , uréia 0,04 g L-1 e 2,0 mL das soluções A,B,C,D (g L-1): A –  0,50,,,; B - ; C - ; D - , , ; duas soluções de vitaminas mg L-1: 1 - biotina 10, ácido para-aminobenzóico 40; 2 – vitamina B12 40 ( Widdel et al (1984). A biomassa reativada e ressupensa (4°C-9000 rpm-5 min.) foi usada durante os ensaios de produção de hidrogênio em reatores anaeróbios em batelada (2 L com 1 L de meio reacional), com hedaspace preenchido por N2 (100%) em três diferente condições: (I) 50% água residuária real e 50% meio sintético; (II) 80 % água residuária real e 20 % meio sintético e; (III) 100 % de água residuária real com as soluções do meio sintético. Como observação podemos falar que a água residuária foi apenas filtrada para que houve a retirada de possíveis sólidos que pudessem interferir.

Os ensaios foram realizados em triplicata e mantidos à 37°C, o pH foi ajustado em 5,5. As análises de crescimento e de consumo de açúcares foram conduzidas em espectrofotômetro 600nm (APHA, 2005) e 490nm (Método fenol-sulfúrico (Dubois et al 1956)), respectivamente.

O biogás gerado foi caracterizado por cromatografia gasosa, assim como a geração de ácidos orgânicos volatéis. Os dados obtidos nos ensaios foram tratados usando o software Statistica®. A taxa máxima de produção de hidrogênio foi obtida por um ajuste sigmoidal não linear da equação Gompertz modificada: . Onde P é o potencial máximo de produção (mmol H2 L-1 de cultura), Rm é a taxa máxima de produção (mmol H2 L-1 de cultura h), λ é a fase lag (h) de geração de H2 e e igual a 2,718281828.

Ao final do ensaio foram feitas microscopias por coloração de Gram para observar a morfologia dos microrganismos presentes.


RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 1 sumariza os resultados obtidos nos ensaios realizados, conforme descrito a seguir.Foram obtidos crescimentos máximos (Abs 600nm) em 48, 34,5 e 65,3 horas e foram: 0,9, 1,8 e 1,9, repectivamente para (I), (II) e (III). As produções máximas de bio hidrogênio foram observadas em 48, 41,8 e 60,8 horas respectivamente para os ensaios (I), (II) e (III), e foram de 7,1, 33,8 e 78,9 mmol H2 L-1. O rendimento na produção de H2 para (I), (II) e (III) foram respectivamente: 1,0, 2,4 e 5,2 mol H2 mol-1 de substrato (Figura 1).

Ao final de cada ensaio foi o realizado a análise de consumo de açúcares e foram: 86,5 %, 88 % e 86 %, respectivamente para (I), (II) e (III).

Foi observado a produção de ácidos orgânicos ao final dos ensaios (ácido acético e butírico) que são subprodutos da fermentação. A produção desses ácidos justifica o abaixamento do valor do pH que foi 4,6, 4,7 e 4,3, respectivamente para (I), (II) e (III).

As microscopias confirmaram predomínio de bacilos Gram positivos de tamanhos maiores e de bacilos com endósporos (Figura 2) que são características de bactérias geradoras de hidrogênio, semelhantes ao gênero Clostridium que é reconhecido n literatura como produtor de bio hidrogênio (Song et al 2012).


CONCLUSÕES

Foi verificado potencial elevado da água residuária proveniente de indústria citrícola na produção biológica de hidrogênio em todos testes realizados.

A água residuária bruta apresentou elevadas taxas de geração de H2, o que confirma a aplicação bioenergética desse resíduo de maneira sustentável.
AGRADECIMENTOS

Os autores são gratos à CITROSUCO, pelo fornecimento do resíduo para realização do ensaios, à FAPESP (Proc 2012-01318-01) pelo apoio financeiro e à FUNDUNESP pela concessão da bolsa de iniciação científica concedida.


REFERÊNCIAS

APHA, AWWA and WEF (2005). Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th edition, American Public Health Associatin, Washington, D.C.

Del Nery V. (1987) ‘Use of anaerobic sludge immobilized in gel in the study of the departure of reactors with upflow sludge blanket’. Master’s Thesis. Engineering School of São Carlos, São Paulo University.

Dubois, M.; Gilles, K.A., Hamilton, J.K.; Rebers, P.A., Smith, F. (1956) Colorimetric method for determination of sugars and related substances. Analytical Chemistry, 28, 350-356

Lay, C.H., Sen, B., Huang, S.C., Chen, C.C., Lin, C.Y. (2013) Sustanable bioenergy production from tofu-processing wastewater by anaerobic hydrogen fermentation for onsite energy recovery. Renewable Energy, 58, 60-67.

Song Z.X., Dai Y., Fan Q. L; Li X.H., Fan Y.T., Hou H.W. (2012) Effects of pretreatment method of natural bacteria source on micribial community and nio-hydrogen production by dark fermentation.International Journal of Hydrogen Energy, 37, 5631-5636.

Tawfik, A., El-Qelish, M. (2014) Key factors affecting on bio-hydrogen production from co-digestion of organic fraction of municipal solid waste and kitchen wastewater, 168, 106-111.

Tahnwised, P., Wirojanagud, W., Reungsang, A. (2012) Effect of hydraulic retention time on hydrogen production and chemical oxygen demand removal from tapioca wastewater using anaerobic mixed cultures in anaerobic baffled reactor (ABR), 37, 15503-15510.

Widdel F. and Pfennig N. (1984) Genus Desulfobacter. In Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, 2, 1599p.

Tabela 1. Ensaios de produção de hidrogênio em reatores anaeróbios em batelada.

Parâmetros

(I)

(II)

(III)

Concentração (g L-1)

2,7

5,4

6,1

Crescimento máximo (Abs 600nm)

0,9

1,8

1,9 

P (mmol H2 L-1)

7,09

33,8

78,9

Rm (mmol H2 mol-1 de substrato h)

0,21

3,74

2,1

λ (h)

-4,2

8,9

9,7

Remoção de açúcar (%)

86,5

88

86

pH final

4,64

4,7

4,32

mol H2 / mol substrato

1,0

2,4

5,2

Figura 1. Produção de hidrogênio durante operação dos ensaios (I), (II) e (III).



Figura 2. Microscopia: predomínio de bacilos Gram-positivos e bacilos com endósporos



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