Produção de hidrogênio e metano em reatores anaeróbio em série

O hidrogênio é considerado um dos combustíveis do futuro, pois possui eficiência elevada de conversão, é reciclável e não poluente. Dentre as formas de produção, o processo de produção biológica via fermentação anaeróbia é ambientalmente correto pois possibilita a produção de hidrogênio a partir de efluentes agropecuários e industriais. Combinado com o tratamento de águas residuárias, este processo é capaz de resolver dois problemas: a redução da poluição de resíduos e a geração de um combustível alternativo limpo (MOHAN; MOHANAKRISHNA; SARMA, 2008).

Atualmente, há crescente preocupação no desenvolvimento de processos práticos e eficientes na geração de hidrogênio. Para aumentar a produção de hidrogênio e limitar a acumulação de ácido graxos voláteis, existem algumas técnicas que podem ser aplicadas no inóculo para inativar os micro-organismos metanogênicos consumidores de hidrogênio, entre as técnicas cita-se: o tratamento térmico, tratamento ácido, tratamento alcalino, tratamento com ultrassom entre outros (MOHAN; BABU; SARMA, 2008).

Além disso, a produção de hidrogênio é influenciada pelos parâmetros operacionais como o pH, tempo de detenção hidráulica (TDH), concentração de substrato e temperatura (SHARMA; LI, 2009; ZHU et al., 2009; WU et al., 2009).

Reatores UASB, reatores de agitação contínua (CSTR), reatores de leito fixo e reatores de leito fluidizado favorecem a imobilização de células anaeróbias produtoras de hidrogênio, uma vez que são tecnologias baseadas principalmente na granulação e formação de biofilme (CAMILLI; PEDRONI, 2005; GAVALA; SKIADAS; AHRING, 2006; ZHANG et al., 2008). Os autores observaram elevadas velocidades de produção nestes sistemas como consequência da grande concentração de biomassa.

Camilli e Pedroni (2005) compararam o desempenho dos reatores: UASB, CSTR e reator de leito fixo para a produção de hidrogênio utilizando meio sintético (amido e xilose). Os autores observaram que o reator UASB apresentou a maior taxa de produtividade (4,76 mmol H2 h-1 L-1) e foi mais estável com a aplicação da

maior carga orgânica (33,82 gDQO (Ld)-1_{), no menor TDH aplicado (6,7 horas).}

Resultados similares foram encontrados por Gavala; Skiadas e Ahring (2006) que compararam o desempenho entre o CSTR e o UASB utilizando glicose como meio sintético. Concluíram que o UASB foi mais estável do que o CSTR nos TDH testados (12, 6 e 2 horas), quanto à produção de hidrogênio, pH, consumo de glicose e subprodutos microbianos. Além disso, a taxa de produção de hidrogênio no UASB foi significativamente maior se comparado com o CSTR (19,05 e 8,42 mmol H2 (hL)-1), respectivamente no TDH de 2 horas.

A maior parte dos trabalhos envolvidos na produção biológica de hidrogênio tem focado na utilização de substratos sintéticos. Porém, recentemente alguns

pesquisadores têm estudado a produção de hidrogênio a partir de águas residuárias (JUNG; KIM; SHIN, 2010).

Wu et al. (2009) utilizaram um reator anaeróbio sequencial em batelada e como substrato esterco líquido de suínos suplementado com glicose (10 g L-1_{). Os}

autores observaram que a concentração de hidrogênio no biogás foi de 39 a 44% para os tempos de reação de 8 a 20 horas e não foi observada produção significativa de metano durante o experimento. A maior taxa de produção de hidrogênio obtida foi de 0,15 L H2 (L h)-1 para o tempo de reação de 8 horas.

Também utilizando esterco líquido de suínos suplementado com glicose (10 g L-1_{), Zhu et al. (2009) obtiveram a maior produção de biogás (21,4 a 38,3 L d}-1_{) e}

concentração de hidrogênio no biogás (35,8 a 37,6%) no TDH de 16 horas com pH 5,0.

Fernandes (2008), utilizando reatores em batelada em escala de bancada, avaliou a viabilidade de produzir hidrogênio a partir de diferentes águas residuárias (sacarose, esgoto doméstico, vinhaça e glicerina com 250 mgDQO L-1 _{cada um). Os}

resultados obtidos indicaram que todos os efluentes apresentaram conversão de matéria orgânica em hidrogênio, sendo que a máxima atividade específica e a maior produção volumétrica de hidrogênio foram no reator contendo vinhaça (3,08 mmol H2

g de SSV-1 _h-1 _{e 579 mL H}

2 g-1 DQO respectivamente). Através da análise de

biologia molecular foi observada baixa diversidade microbiana sendo que as espécies encontradas foram Klebsiella sp. e Bacteroides sp. ambas associadas com a produção de hidrogênio.

A baixa eficiência da conversão do substrato em hidrogênio é um dos problemas encontrados no processo fermentativo e a maioria da fração orgânica permanece como produto solúvel da fermentação (MOHAN; BABU; SARMA, 2008; WANG et al., 2009). Geralmente o rendimento de hidrogênio varia de 1 a 2 mol de H2 por mol de glicose, e 80 a 90% da demanda química de oxigênio (DQO)

permanece na água residuária na forma de vários ácidos graxos voláteis e solventes, tais como ácido acético, butírico, propiônico e etanol (LOGAN, 2004). Mesmo em condições ótimas, 60 a 70% da matéria orgânica permanece na solução (MOHAN; MOHANAKRISHNA; SARMA, 2008).

De acordo com Logan (2004), não há uma rota bioquímica que ocorra naturalmente que alcance 60 a 80% de eficiência na conversão. O autor sugere uma alternativa para aproveitar o substrato remanescente. Uma forma de utilizar/recuperar essa matéria orgânica na produção de energia é produzir metano.

A digestão anaeróbia em duas fases, na qual produz ácidos orgânicos, hidrogênio e gás carbono na primeira fase, e metano e gás carbono na segunda fase, tem sido estudada como melhor método para resolver estas questões (MOHAN; MOHANAKRISHNA; SARMA, 2008; WANG et al., 2009).

O metano produz menos poluentes atmosféricos e dióxido de carbono do que outros hidrocarbonetos (BAUER; FOREST, 2001). Quando combinado com hidrogênio tem sido demonstrado melhor desempenho, maior operacionalidade e redução na emissão de poluentes (SARLI; BENEDETTO, 2007).

Porpatham; Ramesh e Nagalingam (2007) relataram que a adição de 10% de hidrogênio no biogás (metano e dióxido de carbono) aumenta o desempenho do motor e reduz emissões de gases de efeito estufa.

Wang et al. (2009) investigaram a produção de metano e hidrogênio a partir de esterco de suíno (DQOde 52,0 mg g-1_{) utilizando um reator anaeróbio em duas}

fases. Na primeira fase da fermentação, a taxa de remoção de DQO foi de apenas 14,0 a 16,2%, sendo que no final alcançou 92,5% de remoção. A maior taxa de produção de hidrogênio e de metano foi de 36,6 e 201,7 mL (g STadicionado)-1

respectivamente.

Trevisan e Monteggia (2009) utilizando reatores sequenciais em batelada tratando efluente líquido da suinocultura obtiveram concentrações de hidrogênio de 7 a 9% no reator acidogênico (TDH de 26 horas) e de 65 a 70% de metano no reator metanogênico (TDH de 60 horas). O sistema apresentou eficiência na faixa de 60 e 69% na remoção da matéria orgânica com DQO inicial variando de 7945,95 a 9257,14 mg L-1_.

De acordo com Mohan; Mohanakrishna e Sarma (2008), a digestão anaeróbia em duas fases parece ser uma abordagem promissora para a geração sustentável de hidrogênio e metano sustentáveis utilizando águas residuárias como substrato.