Produção biológica de H2 e CH4 a partir do glicerol bruto sob condições termofílicas

Abstract

O glicerol é o principal resíduo na produção de biodiesel. Uma alternativa viável seria sua aplicação por digestão anaeróbia, com gerações de hidrogênio e metano no biogás, além de outros produtos de valor agregado na fase líquida. A condição termofílica pode favorecer a geração de biogás a partir do glicerol, com vantagens na seletividade de microrganismos e na baixa solubilidade do biogás na fase gasosa. Neste sentido, este estudo avaliou o potencial de bioconversão do glicerol bruto, em H2 e CH4, sob condições termofílicas em 21 ensaios, com diferentes inóculos: lodo termofílico pré-tratado por ataque ácido (inóculo 1); lodo mesofílico pré-tratado por ataque ácido (inóculo 2); lodo termofílico pré-tratado por ataque ácido e enriquecido por diluições seriais (inóculo 3); lodo termofílico pré-tratado por choque térmico (inóculo 4) e lodo termofílico in natura (inóculo 5). Produções mais elevadas de H2 foram verificadas com o inóculo 1, a 55°C, pH 5,5, sob modo estático, em meio de cultivo PYG modificado com glicerina PA. A seguir, os inóculos 1 e 3 foram testados em meio de cultivo PYG e RCM modificados, substituindo a glicerina PA por glicerol bruto (20 g DQO L-1). O inóculo 3 foi inicialmente avaliado na produção de H2 pela codigestão de glicerol bruto (20 g DQO L-1) em esgoto sanitário com suplementações de: (a) extrato de levedura; (b) peptona e; (c) extrato de levedura e peptona. Nesses ensaios foram obtidos respectivamente (mmol H2 L-1): 28,94 (a); 16,60 (b) e; 39,74 (c). Ensaios com o inóculo 4 foram realizados em aumentos sucessivos na remoção de glicerol bruto, extrato de levedura e esgoto sanitário, com gerações de H2 (mmol H2 L- 1): 72,53; 141,94; 89,36 e 145,0 para as concentrações de 20, 30, 40 e 50 g DQOglicerol L-1, respectivamente. O principal co-produto gerado foi etanol, além de butanol, propanol, 1,3-propanodiol, ácido acético e ácido butírico,com remoções de glicerol acima de 60%. Os efluentes dos ensaios fermentativos foram avaliados diretamente na geração de metano, produzindo (mmol CH4 L-1): 233,51; 41,59; 24,44 e 8,03. Analises de biologia molecular revelaram predomínios dos gêneros Coprothermobacter e Acetomicrobium (Inóculo 1), Thermoanaerobacterium (Inóculo 3) e Coprothermobacter e Methanothermobacter (Inóculo 5) que provavelmente estiveram envolvidos nas gerações de biogás, ácidos e álcoois obtidos. A digestão anaeróbia termofílica do glicerol bruto é uma alternativa no seu tratamento com consequente gerações dos biocombustíveis H2, CH4 e etanol, além de metabólitos de valor agregado, principalmente 1,3 PD e butanol.

The progressive addition of biodiesel to diesel, increased the production of this biofuel, with a consequent increase in the generation of crude glycerol. A viable alternative for using this by-product is its application by anaerobic digestion, with generation of hydrogen and methane in biogas, in addition to other value-added products in the liquid phase. The thermophilic condition can favor the production of biogas from crude glycerol, with advantages in the selectivity of microorganisms, the low solubility of biogas in the gas phase, its possible use in loco, when applied in anaerobic digestion. In this sense, this study evaluated the bioconversion potential of crude glycerol, in H2 and CH4, under thermophilic conditions in 21 assays, with different inocula: thermophilic sludge treated by acid attack (inoculum 1); mesophilic sludge treated by acid attack (inoculum 2); thermophilic sludge treated by acid attack and enriched by serial dilutions (inoculum 3); thermophilic sludge submitted to heat treatment (inoculum 4) and thermophilic sludge in natura (inoculum 5). Higher H2 yields were verified with inoculum 1, at 55°C, pH 5.5, under static mode, in PYG media modified with glycerin PA than others inocula. Next, the inocula 1 and 3 were tested in modified PYG and RCM media, replacing the glycerin PA with crude glycerol (20 g COD L-1). The inoculum 3 was initially evaluated in the production of H2 by co-digesting crude glycerol (20 g COD L-1) in sanitary sewage with supplements of: (a) yeast extract; (b) peptone and (c) yeast extract + peptone. In these assays were obtained respectively (mmol H2 L-1): 28.94 (a); 16.60 (b) and 39.74 (c). Assays with the inoculum 4 were carried out in successive increases in the concentration of crude glycerol, yeast extract and sanitary sewage, with H2 generations (mmol H2 L-1): 72.53; 141.94; 89.36 and 145.0 for concentrations of 20, 30, 40 and 50 g CODglycerol L-1, respectively. The predominant generation of ethanol was verified, in addition to butanol, propanol, 1,3-propanediol, acetic acid and butyric acid in the tests carried out, with glycerol consumption above 60%. The fermentative effluents from the assays carried out generated methane (mmol CH4 L-1):233.51; 41.59; 24.44 and 8.03. Molecular biology analyzes revealed predominance of the genera Coprothermobacter and Acetomicrobium (Inoculum 1), Thermoanaerobacterium (Inoculum 3) and Coprothermobacter and Methanothermobacter (Inoculum 5) that were probably involved in the generations of biogas, acids and alcohols. The results obtained showed that the thermophilic digestion of crude glycerol is an alternative treatment for this waste, generating bioenergy (H2 and CH4) and added value metabolites, mainly ethanol, 1.3 PD and butanol.