PRODUÇÃO DE HIDRONÊNIO A PARTIR DA MANIPUEIRA
EM REATOR ANAERÓBIO DE LEITO FLUIDIFICADO SOB
CONDIÇÕES TERMOFÍLICAS
T. G. A. TAVARES1, V. C. R. SALES2, E. S. BALBINO2, S. C. A. MACÁRIO 1, G. L. T. AQUINO2, E. L. C, AMORIM1
1 Universidade Federal de Alagoas, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento.
2 Universidade Federal de Alagoas, Centro de Tecnologia .
Email: para contato:thiago.tgat@gmail.com, eduardo.lucena@ctec.ufal.br
RESUMO: Este trabalho buscou avaliar a produção de hidrogênio em temperatura termofilica de 45ºC, a partir de um substrato real, a manipueira como fonte de carbono em reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF). O aquecimento do RALF ocorreu pela circulação de água pré-aquecida por dois fluxos: (i) camisa de aquecimento; e (ii) serpentina dentro do reator. Optou-se pela argila expandida como material suporte. O RALF foi inoculado com lodo suíno, sendo realizado o tratamento térmico, a fim de eliminar as bactérias metanogênicas. A partida do reator foi iniciada com um TDH de 8 h, passando por um TDH 6 h, outro de 4 h e finalizando no TDH de 2 h. A concentração do afluente foi estabilizada em 4000 mg. L-1. A parir da cromatografia gasosa, identificamos que o biogás obteve uma porcentagem máxima de 41% de hidrogênio. Foi observado a produção dos seguintes metabólicos líquidos: ácido acético, ácido butírico e etanol. Sendo obtido um rendimento máximo de 1,4 mol de H2.mol de glicose-1 no TDH de 2 h.
1 INTRODUÇÃO
As energias renováveis tornaram-se a opção estratégica do mundo para resolver a poluição ambiental, abordar a crise energética e alcançar o desenvolvimento social sustentável (HE et al., 2015). O hidrogênio é uma alternativa energética promissora e tem recebido a atenção do mundo nos últimos anos (WANG & WAN, 2009), pois há geração apenas de energia e vapor de água na sua combustão (VAN GINKEL et al., 2001). Tais características tornaram o hidrogênio uma das principais alternativas em substituição aos combustíveis fosseis.
A produção de hidrogênio por processos biológicos, pode ser gerada por meio de processos fototróficos ou fermentativos, sendo este último o mais vantajoso por ser o processo mais simples, o qual apresenta as maiores velocidades de produção de hidrogênio e o menor custo de implementação (LAY et al.,1999; MATHEWS &WANG, 2009).
Diversos estudos têm analisado a produção fermentativa de hidrogênio, utilizando distintas configurações de reatores: de crescimento imobilizado, de leito fixo e de crescimento suspenso. Além de outros fatores que podem influenciar a produção de hidrogênio, como: pH, temperatura, Tempo de detenção hidráulica-TDH, Taxa de Carregamento Orgânico-TCO, material suporte dentre outros. (AMORIM et al., 2009; BARROS et al., 2010; LUO et al., 2010; AMORIM et al., 2012).Sendo também utilizado uma ampla variedade de substrato para produção de hidrogênio: glicose (DE VRIJE et al., 2007; KOSKINEN et al., 2008),
A manipueira é o resíduo resultante da prensagem da mandioca na produção de farinha, na qual contém grande conteúdo energético, cerca de 20 a 40 g. L-1 de carboidratos, tendo grande potencial poluidor, se descartada indevidamente (CAPPELLETTI, 2009).
Luo, et al (2010) ao analisar produção fermentativa de hidrogênio, descrevem que a produção de hidrogênio sob condições termófilicas, obteve uma maior eficiência do que em condições de fermentação mesófilos
Porém, ainda não foi avaliado o efeito da temperatura na produção de hidrogênio, a partir de substrato real, como é o caso da manipueira, em reatores anaeróbios de leito fluidificado.
Com isso, pretende-se verificar o efeito de temperatura termofilica na produção de hidrogênio, além disso, que alguns aspectos influenciam a produção de hidrogênio deveriam ser melhor explorados, tais como: a utilização de um substrato real, a influência do TDH na produção de hidrogênio e a formação dos metabólitos solúveis.
2 MATERIAS E MÉTODOS
2.1 Água Residuaria-Manipueira
A manipueira utilizada foi coleta de uma indústria de farinha de mandioca localizada no município de Feira Grande/Alagoas. Após a coleta, a manipueira foi caracterizada, onde apresentou grande conteúdo energético, cerca de 45% (73g.L-1) a mais do que o valor identificado por (CAPPELLETTI, 2009) em seu estudo. Apresentando também uma DQO em torno de 95g.L-1.
2.2 Reator Anaeróbio de Leito Fluidificado
Neste trabalho, foi utilizado um reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF), sendo operado em fluxo contínuo. Esse reator foi preenchido com um material inerte (argila expandida) a fim de agregar biomassa. As bactérias desenvolvem-se aderidas a esse material inerte, que é mantido suspenso pelo resultado do movimento vertical ascendente da massa líquida (BUSATO, 2004).
O reator anaeróbio de leito fluidificado utilizado foi construído em acrílico transparente com uma espessura de 4 mm, possuindo uma altura de 110 centímetros. O reator possui 3 saídas laterais para coleta das amostras de partículas, localizadas a 20 cm, 30, cm, 45 cm, 65 cm ao longo do reator a partir de sua base (Figura 1).
Ao reator foram acopladas três bombas: uma foi responsável pela recirculação do efluente, outra responsável pela recirculação da água pré-aquecida e outra pela alimentação do reator.
O sistema de aquecimento era da seguinte maneira: Por meio de uma resistência a água era pré-aquecida em um reservatório. Essa água pré-aquecida recirculava pelo reator por dois caminhos, o primeiro era através de uma camisa e o segundo era por meio de uma serpentina.
Figura 1.Esquema de instalação do reator anaeróbio de leito fluidificado.
2.3 Operação do Reator
O experimento iniciou na fase 1 com o TDH de 8 h, sendo sempre adotada a DQO afluente de 4000 mg.L-1. No total, ocorreu quatro variações do TDH: 8 h, 6 h, 4 h e 2 h. A manipueira foi diluído para uma concentração de DQO de 4000 mg.L-1, sendo o pH mantido entre 3,5 ± 0,50. A alimentação/diluição do reator foi realizada diariamente, na proporção apresentada na Tabela 1.
Tabela 1.Parâmetros e características em cada fase de operação do RALF. Fases TDH (hora) Temp (ºC) Vazão (mL. h-1) TCO (kg.m-3.d-1) Carboidrato afluente (mg.L1) Alimentação /Diluição Tempo operação (dias) 1 8 45+1 343,75 12,0 493,58 14L sendo 600 mL de manipueira 12 2 6 458,33 16,0 376,36 16L sendo 700 mL de manipueira 21 3 4 687,5 24,0 556,02 20L sendo 850 mL de manipueira 26 4 2 1375 48 1270,53 35L sendo 1600 mL de manipueira 24
A adaptação da população microbiana foi feita no próprio reator, utilizando a argila expandida para a adesão microbiana.O reator RALF utilizado foi inoculado com lodo suíno, onde o lodo passou por um pré-tratamento térmico a fim de impedir o crescimento de microrganismos metanogênicos sendo essas as principais consumidoras de hidrogênio (MAINTINGUER et al., 2008). Pré-tratamento térmico foi realizado de acordo com a metodologia proposta por Maintinguer et al. (2008). Essa metodologia é uma adaptação de Kim et al. (2006), e consiste no aquecimento prévio do lodo por 10 minutos a uma temperatura de 90°C e, posterior resfriamento em banho de gelo até que este atinja a temperatura de 25°C.
Em relação as condições de fluidodinâmicas do reator, esse parâmetro foi obtido a partir do trabalho de Amorim (2009) que utilizou um reator semelhante, sendo adotado o valor da velocidade de mínima fluidificação para a partícula de argila expandida de 1,24 cm.s -1, que gerou uma vazão de 1,612 cm.s-1 (1,3 vez Vmf).
Definida a vazão de recirculação (1,612 cm.s-1 o reator foi inoculado, sendo operado em circuito fechado (modo batelada) durante 48 horas. Ao final de 48 horas, o reator passou a ser operado com alimentação contínua de manipueira a uma DQO afluente de 4000 mg.L-1 (AMORIM, 2009).
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 2 apresenta a variação do rendimento em função do TDH. Sendo observado um aumento no rendimento da produção de hidrogênio, com a diminuição do TDH de 6 h (0,94 mol H2.mol glicose-1) para 2 h (1,4 mol H2.mol glicose-1).
Figura 2. Rendimento () da produção de hidrogênio relacionado com o TDH Amorim (2012), obteve rendimentos mínimos de (0,31-0,13 mol H2.mol. glicose-1) na produção de hidrogênio para o TDH de 8-6 h respectivamente, em RALF mesofílico a partir de glicose como fonte orgânica. Quando comparados com os resultados obtidos nessa pesquisa (0,94-1,28 mol H2.mol de glicose-1), é possível observar um incremento no rendimento da produção de H2 para os TDHs mais altos 6 h e 8 h.
Kim et al. (2002) explicam que no processo termofílico, ocorre o aumento da metabolização de sólidos orgânicos e aumento da separação líquido-sólido. Podendo aumentar o crescimento microbiano e a hidrólise de partículas sólidas, e a solubilidade do H2 diminuída, aliviando o efeito inibitório causado pela alta pressão parcial do H2 (WEILAND, 2010).
A Figura 3 apresenta o comportamento da TCO em função do rendimento da produção de hidrogênio. Os dados indicam que ocorreu um aumento no rendimento com o aumento da taxa de carregamento orgânico, sendo observado um aumento de 45% no rendimento de H2 quando a TCO passou de 50 kg.m-3.d-1 (0,94 mol H2.mol glicose-1) para 114 kg.m-3.d-1 (1,66 mol H2.mol glicose-1).
Amorim (2012) observou comportamento semelhante do rendimento H2 em função da diminuição do TDH. Tal consideração é relatada por AMORIM (2009). Onde para o autor, o rendimento aumenta com o incremento da taxa de carregamento orgânico até certo ponto a partir do qual o rendimento sofre redução. O autor justifica tal comportamento devido provavelmente à sobrecarga aplicada ao reator por conta da elevada TCO ou por limitações cinéticas.
No entanto, Amorim (2012) alcançou melhores rendimento de hidrogênio, obtendo para um TDH de 8 h um rendimento de 1,71 mol H2.mol glicose-1e para o TDH de 2 h obteve um rendimento máximo de 1,91 mol H2.mol glicose-1.
Figura 3. Rendimento () da produção de hidrogênio relacionado com o TCO. A Figura 4 apresenta os principais metabólitos líquidos produzidos durante a operação do RALF. Foi observado a presença dos ácidos acético, butírico e propiônico e etanol. Dentre os metabólicos produzidos, o ácido acético foi o que apresentou em maior quantidade. Sendo observado uma produção mínima de 2,51mM (150 mg.L-1) no TDH de 6 h, quando da redução do TDH para 2 h, a produção de ácido acético sofreu um acréscimo de 44%, equivalente a uma produção máxima de 4,85mM (270,4 mg.L-1).
Figura 4. Variação da concentração metabolitos produzidos: ácido acético (), Etanol (), ácido butírico () e ácido propiônico () ao longo da operação do reator.
4 CONCLUSÕES
Nesse estudo, pode-se perceber que a produção de hidrogénio termófilico não conseguiu superar os rendimentos obtidos em estudo semelhando em condições mesófilicas. Podendo este fato estar associado a fatores como: faixa de temperatura adotada, concentração de carboidratos no afluente, pois a concentração de substrato é um fator importante para aumentar o rendimento de hidrogênio.
O rendimento de hidrogênio (HY) variou de 0,94 a 1,40 mol H2.mol glicose-1, sendo a menor produção de H2 observada no TDH de 4 h e a maior produção de H2 no TDH de 2 h. Assim como em reatores mesofílicos, os rendimentos de H2 obtiveram um aumento com a diminuição do TDH, e respectivamente com o aumento do TCO.
Para a produção de H2 a principal via metabólica utilizada foi a do ácido acético, onde esse acompanhou de maneira similar o rendimento da produção de H2, apresentando uma menor concentração de ácido acético no TDH de 4 h e uma maior no TDH de 2 h.
Os dados demostraram que a utilização do substrato real (manipueira) é favorável na produção de hidrogênio, pois, é um substrato rico em carboidratos.
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