ESTUDO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO POR SISTEMA DE CULTURA PURA E CO-CULTURA STUDY OF THE HYDROGEN PRODUCTION BY SYSTEMS OF PURE CULTURE AND CO-CULTURE

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Ciência & Tecnologia: Fatec-JB, Jaboticabal, v. 8, 2016. Suplemento.

ESTUDO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO POR SISTEMA

DE CULTURA PURA E CO-CULTURA

STUDY OF THE HYDROGEN PRODUCTION BY SYSTEMS OF

PURE CULTURE AND CO-CULTURE

Rafaela Gonçalves Machado (1₎ Felipe Santos Moreira(2₎ Fabiana Regina Xavier Batista(3₎ Juliana de Souza Ferreira(4₎ Vicelma Luiz Cardoso (5₎

Resumo

O hidrogênio é considerado um potencial combustível para o futuro, pois possui o mais alto teor de energia do que qualquer outro combustível (142 kJ/L), pode ser facilmente convertido em eletricidade por células combustíveis e a sua combustão libera apenas energia e vapor de água. Este trabalho avaliou o potencial de produção de H2 de culturas puras e co-culturas das bactérias púrpuras não sulfurosas Rhodopseudomonas palustris e Rhodobacter capsulatus. Empregou-se como substrato o efluente de fermentação escura de consórcio microbiano enriquecido com lactose proveniente de soro de leite. Os resultados mostraram que R.

palustris apresentou potencial maior do que o sistema constituído de R. capsulatus e que o

sistema de co-cultura apresentou resultados inferiores.

Palavras-chave: Biohidrogênio. Bactérias púrpuras não-sulfurosas. Soro de leite

Abstract

Hydrogen is considered a potential fuel for the future since it presents the highest energy content (142 kJ / L)than any other fuel it can easily be converted into electricity by fuel cells and its combustion releases only energy and water vapor. This study evaluated the potential

of H2 production of pure cultures and co-cultures of bacteria purple non-sulfur,

Rhodopseudomonas palustris and Rhodobacter capsulatus. Dark fermentation effluent enriched microbial consortium with lactose from whey was used as substrate. The results showed that R. palustris had a higher potential than the system consisting of R. capsulatus and that the co-culture system had lower results.

Keywords: Biohydrogen. Purple non-sulfur bacteria. Whey milk.

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Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Química Industrial. Endereço eletrônico: rafaela_machado08@hotmail.com

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Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Eng. químico. Endereço eletrônico: felipemoreiraufvjm@gmail.com.

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Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: frxbatista@ufu.br.

4_{Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade}

Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: julianasf@ufu.br

5_{Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade}

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1 Introdução

O consumo acelerado dos combustíveis fósseis levou a sérios problemas ambientais, pois a sua queima libera para a atmosfera gases como óxidos de carbono, nitrogênio e enxofre que são responsáveis pelo agravamento do efeito estufa, causando o aquecimento global, além da ocorrência de chuvas ácidas e diminuição da camada de ozônio. O agravamento dos problemas ambientais e a oferta limitada desses combustíveis incentivaram as pesquisas a buscar por fontes energéticas renováveis e ambientalmente sustentáveis. E dessa forma, nota-se o H2 como uma alternativa aos combustíveis fósnota-seis (EROGLU e MELIS, 2011).

Os processos químicos convencionais são os responsáveis pela maior parte da produção de H2. Uma segunda forma de produção de H2 é a partir da eletrólise. Ambas as rotas apresentam alto custo ou condições de operação extremas (KOTHARI et al, 2008). Uma rota alternativa é a produção de H2 via processo biológico que utiliza a capacidade dos microrganismos em transformar matérias-primas em H2 através de processos fotossintéticos, fermentativos ou uma combinação de ambos (HALLENBECK e GHOSH, 2009). Além disso, pode-se empregar como substratos resíduos que contenham quantidades consideráveis de matéria biodegradável, como materiais lignocelulósicos, glicerina, resíduos alimentícios e lácteos, águas residuais, fazendo com que o baixo custo da matéria-prima torne a produção de hidrogênio competitiva em relação aos métodos já existentes (GUO et al, 2010, KESKIN e HALLENBECK, 2012).

Neste contexto, esse trabalho foi realizado com o intuito de estudar a produção de hidrogênio por fotofermentação, empregando as bactérias púrpuras não-sulfurosas

Rhodobacter capsulatus e Rhodopseudomonas palustris, em sistemas de cultura pura e

co-cultura. Foi utilizado como substrato o efluente da fermentação escura (EFE) suplementado com soro de leite.

2 Material e Métodos

Foram utilizadas cepas de bactérias púrpuras não-sulfurosas (PNS), especificamente as

Rhodopseudomonas palustris e Rhodobacter capsulatus, (DSMZ - German Collection of Microorganisms and Cell Culture). O cultivo das bactérias fotossintetizantes foi realizado em

meio basal RCV (WEAVER et al., 1975), com pH da solução ajustado para 6,8. Gás Argônio foi borbulhado por 3 min no inóculo com o objetivo de manter o ambiente anaeróbico. Os frascos foram mantidos em câmara de germinação a 30±1ºC, sob iluminação de 2200 lux.

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Conforme ilustrado na Figura 1, o meio fermentescível utilizado nos experimentos de fotofermentação foi, primeiramente, centrifugado para a retirada da cultura mista de bactérias. Em seguida, realizou-se a suplementação do efluente com os componentes do meio basal RCV. O sulfato de amônio não foi adicionado em virtude da presença de amônia proveniente da fermentação escura. Em seguida, ajustou-se o pH para 6,8 já que esse valor favorece a atividade da enzima nitrogenase e adicionou-se soro de leite em pó (10 g/L de lactose). Finalmente, tratou-se o meio fermentescível termicamente através da autoclave (121 °C; 1 atm e 20 min) e após o seu resfriamento, até à temperatura ambiente, adicionou-se a tiamina e as bactérias PNS na forma de cultura pura ou co-cultura. O sistema de co-cultura utilizado nos experimentos é composto pelas bactérias R. palustris e R. capsulatus foram adicionadas ao meio na proporção 1:1 (v/v) no início do ensaio.

Figura 1 – Fluxograma da produção de hidrogênio por fotofermentação em biorreatores de 50 mL.

Os ensaios de fotofermentação foram realizados em biorreatores de 50 mL (frascos de penicilina), em duplicata. Foram conduzidos a temperatura de 32 ± 1°C e a intensidade luminosa de 2200 lux. O volume reacional foi de 37,5 mL, sendo 32,5 mL de meio a ser fermentado e 5 mL de inóculo. O headspace (12,5 mL) foi preenchido com gás argônio, caracterizando assim um ambiente anaeróbio. Após a preparação dos biorreatores, eles foram tampados com septo de borracha butílica e lacrados com cápsulas de alumínio.

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O biogás produzido foi coletado a partir de seringas graduadas (10 mL) e posteriormente armazenado em ampolas gasométricas (Construmaq LTDA. Brasil) para análises de composição por cromatografia gasosa (Shimadzu modelo GC 17A, detector de condutividade térmica, coluna capilar Carboxen 1010). Foram retiradas amostras iniciais do meio reacional e, após a finalização do experimento (7 dias), novas amostras foram coletadas para análises de metabolitos sintetizados por cromatografia líquida (HPLC - Shimadzu modelo LC-20A Pronience, coluna SUPELCOGEL C-610H), sendo que os açúcares e o etanol foram determinados por um detector de índice de refração e os ácidos orgânicos por um detector UV-Vis (210 nm). A concentração celular foi determinada pela leitura de absorbância a 660 nm e convertida em g/L através da curva de calibração.

3 Resultados e Discussão

Neste trabalho, além de soro de leite suplementando o efluente de fermentação escura, o consumo do ácido málico, que é a fonte de carbono do meio RCV, também foi analisado. O efluente da fermentação escura apresentou ácido láctico, cerca de 0,26 g/L e quantidade traço de e ácido propiônico (0,02 g/L). As concentrações iniciais de lactose e de ácido málico foram 9,65 g/L e 3,54 g/L, respectivamente. Foram comparados os sistemas de cultura pura de duas cepas de bactérias púrpuras não-sulfurosas (PNS), Rhodobacter capsulatus e

Rhodopseudomonas palustris, e o sistema de co-cultura dessas cepas. O ensaio durou 6 dias.

Os resultados da composição final de ácidos orgânicos são apresentados na Tabela 1.

Considerando o consumo somente da lactose no cálculo do rendimento, os valores de conversão foram 0,80, 0,57 e 0,16 mol H2/mol de lactose, para o sistema de fotofermentação por R. palustris, R. capsulatus e co-cultura, respectivamente. Pode-se observar pela Tabela 1 que, realmente, não houve consumo de lactose considerável no sistema de co-cultura, somente 31% da lactose foi consumida, enquanto que para o ensaio com R. palustris e R. capsulatus, o consumo foi de 84 e 94%, respectivamente.

Tabela 1 – Composição final dos açúcares não consumidos e de etanol e ácidos orgânicos para diferentes culturas em ensaios de fotofermentação.

Composição final dos açúcares e metabólitos (g/L)

Cultura lactose málico láctico acético propiônico butírico etanol

R. palustris 1,54 1,80 2,02 0,35 0,02 0,00 0,68

R. capsulatus 0,56 1,53 2,53 0,42 0,02 0,00 0,76

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O consumo de ácido málico (50 a 56%) se alterou levemente entre as culturas, muito provavelmente, devido à manutenção das cepas adaptadas em meio RCV contendo este ácido málico. Já para produtividade, os valores para as culturas de R. palustris, R. capsulatus e co-cultura são 3,24, 2,60 e 0,31 mmol H2/L.dia, respectivamente. Por esses resultados, conclui-se que a cepa R. palustris apresentou potencial maior do que o sistema constituído de R.

capsulatus e que o sistema de co-cultura apresentou resultados inferiores.

4 Conclusões

Com base nos resultados deste estudo, foi possível confirmar a capacidade de bactérias fotossintetizantes de degradar diferentes fontes de carbono como o açúcar lactose e ácido málico. E nestas condições testadas o sistema de cultura pura produzir melhores resultados do que a co-cultura.

5 Agradecimentos/

Apoio financeiro

Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPEMIG, CNPq, CAPES e Vale S.A.

Referências

EROGLU, E., MELIS, A. Photobiological hydrogen production: recent advances and state of the art. Bioresource Technology, v. 102, p. 8403–8413, 2011.

GUO, X.M.; TRABLY, E.; LATRILLE, E.; CARRÈRE, H.; STEYER, J-P. Hydrogen production from agricultural waste by dark fermentation: A review. International Journal of Hydrogen Energy, v. 35, p. 10660 - 10673, 2010.

HALLENBECK, P. C.; GHOSH, D. Advances in fermentative biohydrogen. Trends In Biotechnology, v. 27, p. 287-297, 2009.

KESKIN, T.; HALLENBECK, P.C. Hydrogen production from sugar industry wastes using single-stage photofermentation. Bioresource Technology, v. 112, p. 131-136, 2012.

KOTHARI, R.; BUDDHI, D.; SAWHNEY, R.L. Comparison of environmental and economic aspects of various hydrogen production methods. Renewable and Sustainable. Energy

Reviews, v. 12, p. 553-563, 2008

WEAVER, P. F.; WALL, J. D.; GEST, H. Characterization of Rhodopseudomonas capsulate.