Valorização de resíduos agroindustriais em reator batelada (escala piloto) para a produção de biogás e sua purificação via ação fotossintética

Abstract

Uma das principais causas das mudanças climáticas é o uso descontrolado e em larga escala de combustíveis fósseis. Esse cenário, aliado à iminente crise energética, tem exigido uma mudança nas práticas atuais de utilização e produção de energia. Portanto, o desenvolvimento de biocombustíveis renováveis e estratégias de mitigação dos gases de efeito estufa são fundamentais para reduzir os impactos ambientais causados pelos combustíveis fósseis. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivo a geração de bioenergia, abrangendo, especificamente, toda a cadeia produtiva do biogás até biometano. Esta tese foi dividida em duas etapas, sendo que inicialmente, na primeira objetivou-se a produção de biogás em escala piloto (reator/biodigestor 1,2 m³) a partir da digestão anaeróbia de dois importantes resíduos agroindustriais brasileiros, o melaço de soja e o glicerol e a segunda etapa explorou-se processos de purificação do biogás gerado por meio da ação fotossintética de microalgas. Embora a otimização do desempenho do reator em escala piloto tenha apresentado desafios relacionados às características do glicerol bruto, o maior rendimento de biogás obtido foi de 14,7 LCH4 kgSV-1d-1, com uma produção acumulada de 1.080 L, utilizando uma relação glicerol: biomassa de 0,23 gDQO gSV-1 e tempo de ciclo de 7 dias. Ao substituir o substrato do reator por melaço de soja, obteve-se um rendimento de 350 L d-1, com uma produção acumulativa de biogás de 3,6 m³ e uma produção específica de metano de 50,5 LCH₄ kgSV⁻¹ d⁻¹, utilizando 5 L de melaço de soja e tempo de ciclo de 8 dias. Além disso, a análise microbiana indicou que os gêneros mais abundantes envolvidos na biodegradação do melaço de soja no domínio bacteriano foram Enterococcus, Lachnoclostridium e Eubacterium, com abundâncias relativas de 17,4%, 10,9% e 9,5%, respectivamente e no domínio das arqueias, os gêneros dominantes foram Methanosarcina e Methanoculleus. Na segunda parte desta tese, foi avaliada a influência de três frações de nanopartículas de ferro zero-valente revestidas com carbono – solução bruta (nanopartículas líquidas, R-NPs), nanopartículas sólidas (S-NPs) e o sobrenadante resultante após a separação das nanopartículas sólidas (SU-NPs) – no desempenho de dois microrganismos modelos: microalga Chlorella vulgaris e cianobactéria Arthrospira platensis durante o processo de purificação do biogás. As S-NPs aumentaram significativamente o teor de carboidratos de A. platensis em 56%, enquanto as R-NPs obtiveram um desempenho superior, elevando a biofixação de CO₂, o rendimento da biomassa, a produtividade e a taxa de crescimento específico em 21%, 22%, 33% e 46%, respectivamente. Da mesma forma, os R-NPs aumentaram em 55% o teor de carboidratos em C. vulgaris. Por fim, avaliou-se os efeitos da adição de nanopartículas líquidas de ferro líquido zero-valente revestidas com carbono (L-NPs) na performance de um fotobioreator piloto de cultivo de um consórcio de microalgas e bactérias do tipo “open pond”. Observou-se que a adição de 2 mL L-1 de L-NPs, combinada com a remoção intensiva de biomassa, promoveu maior produtividade da biomassa sem impactar negativamente a atividade fotossintética das algas ou o desempenho de atualização do biogás. Além disso, biometano de melhor qualidade, caracterizado por uma maior concentração de CH₄ (94,9% v/v) e menores níveis de CO₂ (2,1% v/v), O₂ (0,4% v/v) e N₂ (2,6%), foi obtido com uma relação líquido/gás de 0,7.

The extensive and unregulated reliance on fossil fuels represents a significant contributor to climate change. Combined with the impending energy crisis, this situation highlights the critical need for a transition in current energy production and consumption practices. Therefore, the development of renewable biofuels and implementation of greenhouse gas mitigation strategies are imperative for minimizing the environmental impacts associated with fossil fuel use. In this context, the present study focused on bioenergy generation, addressing the entire production chain from biogas to biomethane. Then, this thesis is structured in two parts. The first part concentrated on the pilot-scale production of biogas via the anaerobic digestion of two prominent Brazilian agro-industrial residues: soybean molasses and glycerol while the second part investigated the purification of biogas, derived from anaerobic digestion, through the photosynthetic activity of microalgae. Although optimizing the pilot-scale reactor posed challenges due to the characteristics of crude glycerol, the highest biogas yield achieved was 14.7 LCH₄ kgVS⁻¹d⁻¹, with a cumulative production of 1080 L, using a glycerol-to-biomass ratio of 0.23 gCOD gVS⁻¹ and a 7-day feeding cycle. By replacing the reactor substrate with soybean molasses, a higher yield of 350 L d⁻¹ was achieved, with a cumulative biogas production of 3.6 m³ and a specific methane yield of 50.5 LCH₄ kgVS⁻¹ d⁻¹, using 5 L of soybean molasses over an 8-day cycle. Moreover, microbial analysis indicated that the most abundant genera involved in the biodegradation of soybean molasses within the bacterial domain were Enterococcus, Lachnoclostridium, and Eubacterium, with relative abundances of 17.4%, 10.9%, and 9.5%, respectively and, the dominant genera within the archaeal domain identified were Methanosarcina and Methanoculleus. In the second part of this thesis, the impact of three fractions of carbon-coated zero-valent iron nanoparticles – raw solution (liquid nanoparticles, R-NPs), solid nanoparticles (S-NPs), and the supernatant obtained after the separation of solid nanoparticles (SU-NPs) – was assessed on the performance of two model microorganisms: the microalga Chlorella vulgaris and the cyanobacterium Arthrospira platensis, devoted to biogas purification upgrading. S-NPs significantly increased the carbohydrate content of A. platensis by 56%, while R-NPs exhibited superior performance by enhancing CO₂ biofixation, biomass yield, productivity, and specific growth rate by 21%, 22%, 33%, and 46%, respectively. Similarly, R-NPs also boosted the carbohydrate content of C. vulgaris by 55%. Finally, the effects of adding carbon-coated zero-valent liquid iron nanoparticles (L-NPs) on the performance of a high-rate algal pond, dedicated to photosynthetic biogas upgrading and nutrient valorization from real digestate, were evaluated. The addition of 2 mL L⁻¹ of L-NPs, combined with intensive biomass harvesting, promoted higher biomass productivity without negatively impacting algal photosynthetic activity or biogas upgrading performance. Moreover, biomethane of higher quality, characterized by a higher CH₄ concentration (94.9% v/v) and lower levels of CO₂ (2.1% v/v), O₂ (0.4% v/v), and N₂ (2.6%), was obtained at an L/G ratio of 0.7.