Publicação: Resíduos agroindustriais da banana aplicados nas gerações de biocombustíveis: avaliação de pré-tratamento térmico em hidrólise ácida
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Autores
Orientador
Maintinguer, Sandra Imaculada
Coorientador
Pós-graduação
Curso de graduação
Rio Claro - IGCE - Engenharia Ambiental
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Trabalho de conclusão de curso
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
O Brasil é o quarto maior produtor de banana do mundo, com 6,6 milhões de toneladas produzidas em 455 mil hectares. Durante o processamento dessa fruta uma grande quantidade de resíduos é gerada, sendo eles responsáveis por elevarem os custos de produção. Um dos métodos de reaproveitamento desse resíduo para as indústrias pode ser a sua aplicação no aproveitamento desses resíduos para a produção de biogás a partir de processos biológicos anaeróbios. A produção de biogás a partir de resíduos da fruticultura nacional pode se mostrar mais eficiente após o pré-tratamento térmico e ácido onde açucares podem ser liberados. Com isso, o presente projeto avaliou a eficiência do pré-tratamento térmico com adição de ácido acético em resíduos do processamento da banana codigeridos com esgoto sanitário objetivando a liberação de açucares e assim elevar a geração de biogás em reatores anaeróbios em batelada. Foram realizados ensaios de produção de hidrogênio e de metano em 2 etapas integradas, visando o aproveitamento total da matéria orgânica contida em tais resíduos. Inicialmente foi realizada a caracterização do substrato e foi verificado 257,67 g DQO total/ L ,186,67 g DQO solúvel/L, sólidos totais (2,75g/L), sólidos fixos totais (0,52g/L), sólidos voláteis totais (2,23g/L) e carboidratos totais (134,0 g/L). O inóculo foi caracterizado em análises de sólidos totais (0,95g/L), sólidos fixos totais (0,11g/L) e sólidos voláteis totais (0,84g/L). Inicialmente o inóculo foi pré-tratado termicamente e a seguir enriquecido em meio de cultivo especifico para a fermentação para ser utilizado nos reatores acidogênicos. De modo similar, o lodo granular foi enriquecido previamente, em meio de cultivo específico para a metanogênese, para ser inoculado nos reatores metanogênicos. A seguir, foram testados pré-tratamento térmico e ácido no resíduo industrial da banana, em adições nas proporções de 5%, 7% e 10% de ácido acético, separadamente. A partir da hidrolise dos resíduos o ensaio da co-digestão anaeróbia foi realizado em triplicata de reatores anaeróbios em batelada (1L), na proporção de 20g DQO/L de substrato, 20% de inóculo pré-tratado enriquecido, em condições de anaerobiose, headspace (0,3L) preenchido com N2 99,99%, sob fluxo constante, por 10 minutos. Também foram montados reatores controle (substrato sem pré-tratamento térmico e ácido) e reator endógeno (sem adição de substrato). Para o tamponamento, adicionou-se 3,5 g/L de NaHCO3. O pH inicial foi ajustado para 5,5 para os reatores acidogênicos e 7,0 para os reatores metanogênicos. Os reatores foram mantidos em incubadora a 37ºC, sob agitação constante de 120 rpm, durante 7 dias, para os reatores acidogênicos e, 18 dias para os reatores metanogênicos. Durante a operação dos reatores foram realizadas coletas de amostras para quantificação de biogás e remoções de matéria orgânica. Os reatores acidogênicos com substrato pré-tratado em 5%, 7%, 10% de CH3COOH e controle apresentaram remoções de carboidratos (88,54%; 87,37%; 88,92% e 67,37%), com gerações máximas de hidrogênio de 1279,00; 2588,73; 1421,77 e 783,47 ml/L, respectivamente. Os reatores metanogênicos, com o efluente dos reatores acidogênicos, apresentaram remoções de DQO total (93,91; 92,09; 96,21 e 80,66%), carboidratos (76,58; 66,81; 63,06 e 74,84%) e gerações máximas de metano de 6485,27; 4959,5, 4348,07 e 2893,8 ml, respectivamente. Análise metagenômico em larga escala com amostras do inóculo in natura, inóculo enriquecido em meios de cultivo fermentativo, metanogênico e com pré-tratamento de 7% de ácido acético revelou a diversidade de gêneros de bactérias e arqueias envolvidos na digestão anaeróbia. Dentre elas o gênero Clostridium desempenhou um papel crucial na hidrólise e geração de hidrogênio, enquanto o gênero Methanothrix foi abundante em reatores pré-tratados e na geração de metano. Pré-tratamentos térmicos e ácidos elevam a liberação de açúcares e podem ser aplicados em resíduos agroindustriais para maior geração de biogás, sendo a concentração de 5% de ácido acético o que obteve melhores resultados.
Resumo (inglês)
Brazil is the fourth largest banana producer in the world, with 6.6 million tons produced on 455 thousand hectares. During the processing of this fruit, a large amount of waste is generated, which is responsible for increasing production costs. One of the methods for reusing this waste for industries could be its application in the use of this waste for the production of biogas from anaerobic biological processes. The production of biogas from waste from national fruit farming may prove more efficient after thermal and acid pretreatment, where sugars can be released. Therefore, this project evaluated the efficiency of thermal pretreatment with the addition of acetic acid in banana processing waste co-digested with sanitary sewage, aiming at the release of sugars and thus increasing the generation of biogas in anaerobic batch reactors. Hydrogen and methane production tests were carried out in 2 integrated stages, aiming at the full use of the organic matter contained in such waste. Initially, the substrate was characterized and 257.67 g total COD/L, 186.67 g soluble COD/L, total solids (2.75 g/L), total fixed solids (0.52 g/L), total volatile solids (2.23 g/L) and total carbohydrates (134.0 g/L) were verified. The inoculum was characterized in analyses of total solids (0.95 g/L), total fixed solids (0.11 g/L) and total volatile solids (0.84 g/L). Initially, the inoculum was heat-pretreated and then enriched in a specific culture medium for fermentation to be used in the acidogenic reactors. Similarly, the granular sludge was previously enriched in a specific culture medium for methanogenesis to be inoculated in the methanogenic reactors. Next, thermal and acid pretreatment were tested on the industrial banana residue, in additions in the proportions of 5%, 7% and 10% of acetic acid, separately. From the hydrolysis of the residues, the anaerobic co-digestion test was performed in triplicate of anaerobic batch reactors (1 L), in the proportion of 20 g COD/L of substrate, 20% of enriched pretreated inoculum, under anaerobic conditions, headspace (0.3 L) filled with N2 99.99%, under constant flow, for 10 minutes. Control reactors (substrate without thermal and acid pretreatment) and an endogenous reactor (without addition of substrate) were also assembled. For buffering, 3.5 g/L of NaHCO3 was added. The initial pH was adjusted to 5.5 for the acidogenic reactors and 7.0 for the methanogenic reactors. The reactors were kept in an incubator at 37ºC, under constant agitation of 120 rpm, for 7 days for the acidogenic reactors and 18 days for the methanogenic reactors. During the operation of the reactors, samples were collected to quantify biogas and organic matter removal. The acidogenic reactors with substrate pretreated in 5%, 7%, 10% CH3COOH and control showed carbohydrate removals (88.54%; 87.37%; 88.92% and 67.37%), with maximum hydrogen generations of 1279.00; 2588.73; 1421.77 and 783.47 ml/L, respectively. The methanogenic reactors, with the effluent from the acidogenic reactors, presented removals of total COD (93.91; 92.09; 96.21 and 80.66%), carbohydrates (76.58; 66.81; 63.06 and 74.84%) and maximum methane generations of 6485.27; 4959.5, 4348.07 and 2893.8 ml, respectively. Large-scale metagenomic analysis with samples of the in natura inoculum, inoculum enriched in fermentative culture media, methanogenic and with pretreatment of 7% acetic acid revealed the diversity of bacterial and archaeal genera involved in anaerobic digestion. Among them, the genus Clostridium played a crucial role in hydrolysis and hydrogen generation, while the genus Methanothrix was abundant in pretreated reactors and in methane generation. Thermal and acid pretreatments increase the release of sugars and can be applied to agro-industrial waste to generate more biogas, with a concentration of 5% acetic acid yielding the best results.
Descrição
Palavras-chave
Pré-tratamento, Digestão anaeróbia, Ácido, Biocombustíveis, Celulose, Banana, Pretreatment, Anaerobic digestion, Acid, Biofuels, Cellulose
Idioma
Português
