Comparação entre C acetobutylicum, C beijerinckii e cultura anaeróbia

Os dados do teste de variância (ANOVA) para o consumo de sacarose, pH e sulfato apresentados respectivamente nas Tabelas 11, 12 e 14 verificaram repetibilidade nos ensaios de concentração de DQO de 5.000 mg O2·L-1 com exceção ao perfil de pH na condição Bj-5-II. Os

produtos trabalhados nesta seção são referentes a uma tréplica que verifica a hipótese de que não existe diferença entre o desempenho dos reatores de mesma condição, considerando nível de significância (α) de 0,05, referente à 5% de risco. O perfil de pH e consumo de sacarose é referente a média entre as tréplicas que estão dentro do nível de significância (α) de 0,05.

A Tabela apresenta as concentrações iniciais de ácidos orgânicos voláteis e sulfato para os ensaios em condições de 5.000 mg O2·L-1 (em termos de DQO) utilizando C. acetobutylicum,

C. beijerinckii e cultura anaeróbia mista.

Tabela 15 – Concentrações iniciais de ácidos orgânicos voláteis, álcoois e de sulfato para os ensaios em concentrações de DQO de 5.000 mg O2·L-1 com C. acetobutylicum, C. beijerinckii

e cultura anaeróbia mista Ácidos orgânicos voláteis / Álcoois /

Sulfato (mg L-1₎

Condições Experimentais

C. acetobutylicum C. beijerinckii Cultura anaeróbia

mista

Tabela 15 – Concentrações iniciais de ácidos orgânicos voláteis, álcoois e de sulfato para os ensaios em concentrações de DQO de 5.000 mg O2·L-1 com C. acetobutylicum, C. beijerinckii

e cultura anaeróbia mista – continuação Ácidos orgânicos

voláteis / Álcoois / Sulfato (mg L-1₎

Condições Experimentais

C. acetobutylicum C. beijerinckii Cultura anaeróbia

mista Cítrico - - - Málico 28,7 0,9 - Succínico 99,0 36,3 - Lático - 98,8 - Fórmico - - 1,1 Acético 409,7 275,6 290,2 Propiônico 204,1 144,8 92,5 Isobutírico 19,8 13,5 40,4 n-Butírico 140,0 95,1 111,3 Isovalérico - 4,8 6,9 n-Valérico - 0,5 - Capróico 12,4 - - Etanol 260,9 218,6 181,9 Butanol - - -

Os experimentos com os três inóculos distintos apresentaram acréscimo de etanol, ácido acético, ácido butírico e ácido propiônico ao meio respectivamente de 57,5 mL, 32,5 mL, 11,5 mL e 8,25 mL. As concentrações de sulfato apresentadas na Tabela para C. acetobutylicum, C. beijerinckii e cultura anaeróbia mista foram medidas respectivamente após 4 horas, 1,3 hora e 1,4 hora de iniciado o reator. A produção de metanol, apesar de só ter ocorrida com C. acetobutylicum, não está associada com o tipo o inóculo.

As Figuras 6, 7 e 8, mostram, respectivamente, os ensaios com inóculos C. acetobutylicum, C. beijerinckii e cultura anaeróbia mista. O gráfico superior (gráfico a) apresenta o consumo de sacarose, produção de etanol e produção de ácido lático. O gráfico inferior (gráfico b) apresenta o pH e produção de ácidos acético, butírico e propiônico.

Figura 6 – Reatores com inóculo C. acetobutylicum e concentração de DQO de 5.000 mg O2·L-1

Gráfico a: concentração de sacarose (●) e etanol (◊).

Gráfico b: pH (♦),concentração de ácido acético (○), ácido butírico (□) e ácido propiônico ()

Observa-se por meio dos gráficos da Figura 6 que o início da produção de etanol (gráfico a) assim como dos ácidos acético e buírico (gráfico b) ocorrem após 25 horas de experimento, no mesmo período em que houve o início da redução de pH. Adicionalmente, a estabilização da produção de etanol, ácidos acético e butírico ocorreram apenas após 75 horas decorridas, 25 horas a mais comparado ao tempo para o consumo total do substrato (50 horas).

Apesar da produção de ácido butírico, não houve produção de butanol nos reatores com concentração de DQO de 5.000 mg O2·L-1 e C. acetobutylicum. A produção do etanol ocorreu

a partir da via paralela padrão do etanol, sem estar relacionado à rota ABE. Não houve produção de ácido lático.

Conforme mostra a Figura 6, foram realizadas curvas sigmoidais simples para produção etanol, ácido butírico e ácido acéticocom base na Equação 4 (capítulo 4, seção 4.6).

Tabela 16 apresenta os valores dos parâmetros ajustados pela curva da sigmóide simples para etanol, ácido butírico e ácido acético.

Tabela 16 – Parâmetros cinéticos (Amáx, Amín, l e p) e coeficiente de correlação (R2) relativos a produção de etanol, ácido butírico e ácido actético obtidos no ensaio em concentrações de DQO de 5.000 mg O2·L-1 utilizando C. acetobutylicum como inóculo

Produtos Parâmetros Cinéticos R2 Amáx (mg·L-1_{) (mg·L}Amín-1_{) (h)} l _(g·Lp -1_·h-1₎ Etanol 584 ± 16,3 233 ± 24,9 39 ± 3,2 0,053 ± 0,020 0,96 Ác. Butírico 766 ± 16,3 122 ± 25,6 44 ± 1,7 0,042 ± 0,009 0,99 Ác. Acético 642 ± 19,7 371 ± 32,5 48 ± 6,0 0,032 ± 0,017 0,93

O rendimento da produção do etanol na condição de 5.000 mg O2·L-1 (em termos de

DQO) e C. acetobutylicum foi de 0,2 g etanol·g sacarose-1_.

Figura 7 – Reatores com inóculo C. beijerinckii e concentrações de DQO de 5.000 mg O2·L-1.

Gráfico b: pH (♦), concentração de ácido acético (○), ácido butírico (□) e ácido propiônico ()

Ao utilizar a cultura pura de C. beijerinckii como inóculo observa-se na Figura 7 a queda de pH no mesmo período do consumo da sacarose, após 25 horas de experimento. A produção de etanol não foi significativa quando comparada a produção de ácido lático. A presença de ácido lático (gráfico a) representou uma mudança da rota em direção ao lactato, provavelmente devido ao aumento da pressão parcial dentro do reator. A pressão parcial do meio foi resultante do consumo acelerado do substrato e não esvaziamento de gás do meio.

Conforme mostra a Figura 7, foi ajustada curva sigmoidal simples com base na Equação 4 apenas para produção de ácido lático. A curva da sigmoide simples ajustada para produção de

ácido lático obteve os seguintes parâmetros: Amáx (1.848 ± 96,5 mg·L-1), Amín (82 ± 129

mg·L-1_{), l (20 ± 1,3 h), p (0,171 ± 0,074 g·L}-1_·h-1_{) e R}2 _(0,92).

Não ocorreu produção significativa de ácidos acético, butírico e propiônico, não adaptando assim esses produtos ao modelo da sigmoide simples.

Em relação aos solventes, não ocorreu produção de acetona e butanol nestas condições. Dessa forma, o rendimento da produção do ABE na condição de 5.000 mg O2·L-1 (em termos

de DQO) e C. beijerinckii refere-se à produção de etanol de 0,1 g etanol·g sacarose-1_.

Os ensaios com cultura anaeróbia mista e concentração de 1.000 mg O2·L-1 estão

apresentados na Figura 8. O gráfico a contêm o consumo de sacarose, produção de etanol e produção de ácido lático. O consumo total do substrato ocorreu após 125 horas de experimento. O gráfico b possui o perfil de pH e produção de ácidos acético, butírico e propiônico. Observa- se que a produção de ácido butírico foi a mais significante, quando comparado com os demais ácidos.

Figura 8 – Reatores com cultura anaeróbia mista e concentrações de DQO de 5.000 mg O2·L-1.

Gráfico a: concentração de sacarose (●), etanol (◊) e ácido lático ()

Gráfico b: pH (♦), concentração de ácido acético (○), ácido butírico (□) e ácido propiônico ()

Conforme apresentado no gráfico b da Figura 8 a produção do ácido butírico se iniciou no momento em que o pH estava estável na faixa de [4,0]. A maior concentração de ácido butírico comparado ao ácido acético se deve principalmente ao tratamento ácido-térmico realizado na cultura mista, o qual favorece à produção de ácido butírico. Nesta condição não foi detectada a produção de butanol.

De acordo coma Figura 8, foram ajustadas curvas sigmoidais simples para produção etanol (gráfico a) e ácido butírico (gráfico b) com base na Equação 4. Os ácidos acético e

propiônico não se adaptaram a esse modelo. A Tabela 17 apresenta os valores dos parâmetros ajustados pela curva da sigmoide simples para etanol e ácido butírico.

Tabela 17 – Parâmetros cinéticos (Amáx, Amín, l e p) e coeficiente de correlação (R2) relativos a produção de etanol e ácido butírico obtidos no ensaio em concentrações de DQO de 5.000 mg O2·L-1 utilizando cultura anaeróbia mista como inóculo

Produtos Parâmetros Cinéticos R2 Amáx (mg·L-1₎ A mín (mg·L-1_{) (h)} l _(g·Lp -1_·h-1₎ Etanol 591 ± 50,8 157 ± 14,6 93 ± 6,6 0,021 ± 0,006 0,97 Ác. Butírico 612 ± 43,2 157 ± 17,3 83 ± 5,7 0,034 ± 0,013 0,94 O rendimento da produção de etanol na condição de 5.000 mg O2·L-1 (em termos de DQO)

e cultura anaeróbia mista foi de 0,3 g etanol·g sacarose-1_.

5.2 Etapa 2 – Metabolismo das culturas C. acetobutylicum, C. beijerinckii e cultura