4. DIGESTÃO ANAERÓBIA
4.3. Rendimentos molares da digestão anaeróbia completa e separada
A digestão anaeróbia, mediante as duas etapas em série que a compõem, produz uma mistura gasosa conhecida como biogás, composta principalmente por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) e traços de sulfeto de hidrogênio (H2S), hidrogênio (H2) e amoníaco (NH3). Na primeira etapa (fermentação: acidogênese e acetogênese), todo o substrato ocasionalmente se transforma em acetato, dióxido de carbono (CO2, HCO3–, CO32–) e hidrogênio (Cooney et
al., 2007), substratos da segunda etapa, a metanogênese, composta por dois processos
paralelos: metanogênese acetoclástica e metanogênese hidrogeniotrófica. A metanogênese acetoclástica produz aproximadamente 70% do metano e 30% se produz pela metanogênese hidrogeniotrófica (Anderson, Sallis & Uyanik, 2007; Chernicharo, 2007). Assim, todo o substrato pode ocasionalmente se transformar até biogás, composto principalmente por metano (Cooney et al., 2007).
O processo de digestão anaeróbia ideal completa para a produção de biogás pode-se entender como uma fermentação representada em síntese pela Reação 47 para a produção de acetato e hidrogênio a partir de glicose, seguida da Reação 55 de metanogênese acetoclástica e da Reação 56 de metanogênese hidrogeniotrófica para a conversão de acetato e hidrogênio, respetivamente, em metano. Nesta idealização se desconsidera a homoacetogênese.
Ao respeito, a partir da estequiometria estabelecida com o modelo biotermodinâmico podem-se obter os rendimentos dos produtos. Para a fermentação da glicose a acetato (Reação 47) a Figura 26 apresenta os rendimentos em mols produzidas por mol de glicose e a Figura 27 apresenta a distribuição dos elétrons transferidos do doador (glicose) aos produtos reduzidos produzidos, ambas em função do pH para 30 °C.
Figura 26. Rendimento dos produtos da fermentação de glicose a acetato, em mols produzidas por mol de glicose, em função do pH (T = 30 °C, pH2 = 1,00x10-3 atm).
Figura 27. Fração de elétrons transferidos da glicose a cada produto reduzido na fermentação de glicose a acetato em função do pH (T = 30 °C, pH2 = 1,00x10-3 atm).
Os resultados mostram um máximo rendimento de hidrogênio em um pH aproximado de 6,0 que coincide com o máximo rendimento de acetato e mínimo rendimento de células; resultado óbvio porquanto a energia livre transferida pelo processo catabólico que não é usada para a produção células (processo anabólico), destina-se para os produtos.
Enquanto à temperatura, a Figura 28 mostra que o aumento dessa variável favorece levemente o rendimento das células provocando a diminuição no rendimento dos produtos, mas o efeito é marginal para os diferentes pH.
Figura 28. Rendimento dos produtos da fermentação de glicose a acetato, em mols produzidas por mol de glicose, em função da temperatura a diferentes pH (pH2 = 1,00x10-3 atm).
Para a metanogênese acetoclástica (Reação 55) a Figura 29 apresenta os rendimentos em mols produzidas por mol de acetato e a Figura 30 apresenta a distribuição dos elétrons
pH = 7,0
pH = 6,5
transferidos do doador (acetato) a os produtos reduzidos produzidos, ambas em função do pH para 30 °C.
Figura 29. Rendimento dos produtos da metanogênese acetoclástica, em mols produzidas por mol de acetato, em função do pH (T = 30 °C, pH2 = 1,00x10-3 atm).
Figura 30. Fração de elétrons transferidos do acetato a cada produto reduzido na metanogênese acetoclástica em função do pH (T = 30 °C, pH2 = 1,00x10-3 atm).
Neste caso, os resultados têm sentido para pH superiores a aproximadamente 5,5 no qual o processo se torna espontâneo (Seção 4.2.3). Nesse preciso ponto o rendimento de metano é máximo e o rendimento das células é mínimo. Para a temperatura, a Figura 31 mostra que seu aumento favorece muito levemente o rendimento das células provocando a diminuição no rendimento dos produtos, mas o efeito é marginal para os diferentes pH.
Figura 31. Rendimento dos produtos da metanogênese acetoclástica, em mols produzidas por mol de acetato, em função da temperatura para diferentes pH (pH2 = 1,00x10-3 atm).
Para a metanogênese hidrogeniotrófica (Reação 56) a Figura 32 apresenta os rendimentos em mols produzidas por mol de hidrogênio e a Figura 33 apresenta a distribuição
pH = 7,0
pH = 6,5
dos elétrons transferidos do doador (hidrogênio) a os produtos reduzidos produzidos, ambas em função do pH para 30 °C.
Figura 32. Rendimento dos produtos da metanogênese hidrogeniotrófica, em mols produzidas por mol de hidrogênio, em função do pH (T = 30 °C, pH2 = 1,00x10-3 atm).
Figura 33. Fração de elétrons transferidos do hidrogênio a cada produto reduzido na metanogênese hidrogeniotrófica em função do pH (T = 30 °C, pH2 = 1,00x10-3 atm).
Os resultados mostram um rendimento de metano e células muito uniforme em todo o intervalo de pH, com máximos para pH superiores a 7,0. Para a temperatura, a Figura 34 mostra que seu aumento favorece levemente o rendimento de metano, mas o efeito é marginal para os diferentes pH.
Figura 34. Rendimento dos produtos da metanogênese hidrogeniotrófica, em mols produzidas por mol de hidrogênio, em função da temperatura para diferentes pH (pH2 = 1,00x10-3 atm).
Por outro lado, as duas etapas da digestão anaeróbia podem-se separar (Cooney et al., 2007; Kyazze et al., 2007) em uma primeira etapa de produção biológica de hidrogênio,
pH = 7,0
pH = 6,5
denominada fermentação escura (acidogênese e acetogênese), e uma segunda etapa de metanogênese acetoclástica. Na primeira etapa todo o substrato ocasionalmente se transforma em acetato e um gás composto principalmente por hidrogênio (H2), dióxido de carbono (CO2) e traços de sulfeto de hidrogênio (H2S) e amoníaco (NH3). O gás produzido na primeira etapa se separa e o acetato continua como substrato da segunda etapa, a metanogênese acetoclástica, da que se obtém biogás composto principalmente, como mencionado antes, por: metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) e traços de sulfeto de hidrogênio (H2S), hidrogênio (H2) e amoníaco (NH3). Assim, todo o substrato ocasionalmente se transformar em dois gases: o gás de hidrogênio produzido na primeira etapa e o gás de metano produzido na segunda.
O processo de digestão anaeróbia ideal separada pode-se entender como uma fermentação escura (primeira etapa) representada em síntese pela Reação 47 para a produção de acetato e hidrogênio a partir de glicose seguida da Reação 55 de metanogênese acetoclástica (segunda etapa) para a produção de metano. Observe-se que na segunda etapa se desconsidera a metanogênese hidrogeniotrófica, porquanto o substrato (hidrogênio) é removido no gás produzido na primeira etapa; além disso, nesta idealização também se desconsidera a homoacetogênese.
Como apresentado antes, as Figuras 26 e 28 mostram os rendimentos dos produtos da fermentação de glicose (Reação 47) e as Figuras 29 e 31 os rendimentos dos produtos da metanogênese acetoclástica (Reação 55), em função do pH e da temperatura.