Avaliação de efluentes citrícolas na geração de biohidrogênio e co-produtos de valor agregado em reatores anaeróbios em batelada

Abstract

Os resíduos citrícolas são uma preocupação ambiental importante para as indústrias brasileiras, uma vez que o Brasil é o maior produtor e exportador de suco laranja para o mundo. Entre as possibilidades de valorização e reuso deste resíduo, o processo fermentativo é uma alternativa promissora na geração de energia renovável, como biogás, álcoois e ácidos graxos voláteis. Nesse sentido, o objetivo deste estudo foi utilizar o efluente bruto citrícola (EC) como substrato na geração de hidrogênio, ácidos graxos voláteis e álcoois a partir da obtenção de uma cultura mista autóctone de bactérias anaeróbias e compará-la com culturas puras de bactérias fermentativas e lodo granular metanogênico pré-tratado. A cultura mista foi submetida em ensaios com diferentes fontes de carbono, dos quais se destacaram crescimento microbiano e detecção de hidrogênio em glicose, sacarose e frutose. Posteriormente, a cultura mista e culturas puras fermentativas (inóculo 1-Clostridium acetobutylicum ATCC824 e inóculo 2-Clostridium beijerinckii ATCC10132) foram inoculadas em meios de cultivo específicos para Clostridium sp. (PYG, RCM, TYA, MITRA) em reatores anaeróbios em batelada, mantidos sob agitação e modo estático. Produções de etanol e ácidos graxos voláteis mais elevados foram verificadas nos reatores com os meios de cultivo RCM e PYG. A seguir foram realizados ensaios em reatores alimentados com glicose, com gerações de hidrogênio e butanol para as culturas puras (inóculos 1 e 2), além de gerações de etanol para a cultura mista de bactérias anaeróbias (inóculo 3). Em reatores alimentados com efluente citrícola, foram obtidos 21,2; 15,7 e; 37,6 mmol H2 L-1 com os inóculos 1; 2 e 3, respectivamente. Proporções crescentes foram adicionadas em reatores anaeróbios em batelada inoculados com culturas puras e cultura mista para produção de hidrogênio e co-produtos. Na condição 1(0% EC+100% meio RCM), com os inóculos 1 e 2 obtiveram-se gerações de butanol e com o inóculo 3 foi verificada produção elevada de etanol. Na condição 2 (20% EC+80% meio RCM), as produções de hidrogênio foram de 11,9; 9,4 e 12,5 mmol H2 L-1 para os inóculos 1, 2 e 3, respectivamente. Entretanto, na condição 3 (50%EC+50% meio RCM), a produção teve um declínio com valores de 4,1; 5,9 e 11,5 mmol H2 L-1 para os inóculos 1, 2 e 3, respectivamente. Na condição 4 (80%EC+20% meio RCM) foram verificadas gerações de 12,4; 15,0 e 13,1 mmol H2 L-1 para os inóculos 1, 2 e 3, respectivamente. Porém, na condição 5 (100% EC+0% meio RCM), ocorreu a baixa produção de hidrogênio com valores de até 4 mmol H2 L-1 no inóculo 3. Foi realizado teste com mistura das culturas puras (50% inóculo 1+50% inóculo 2), nos ensaios I (80% EC + inóculo 1 + inóculo 2) e ensaio II (100% EC + inóculo 1 + inóculo 2) e ensaio III (100% EC + lodo granular metanogênico pré-tratado). As produções de hidrogênio nos ensaios I, II e III foram 17,7; 16,5 e 7,6 mmol H2L-1, respectivamente, comprovando que a adição das culturas puras elevaram as produções de hidrogênio. A cultura mista apresentou abundâncias relativas de bactérias fermentativas distribuídas, principalmente, nos gêneros Clostridium, Bacillus e Lactobacillus com abundâncias relativas de 13,65%, 20,44% e 10,61%, respectivamente provavelmente envolvidas nas gerações de hidrogênio e etanol verificadas. A eficiência da digestão anaeróbia no tratamento de efluentes agroindustriais como da laranja foi comprovada no re-aproveitamento e na geração de biocombustíveis.

Citrus residues are an important environmental concern for Brazilian industries, since Brazil is the largest producer and exporter of orange juice to the world. Among the possibilities of recovery and reuse of this residue, the fermentation process is a promising alternative in the generation of renewable energy, such as biogas, alcohols and volatile fatty acids. In this sense, the objective of this study was to use citrus effluent (EC) as a substrate to generate hydrogen, volatile fatty acids and alcohols from an autochthonous mixed culture of anaerobic bacteria and compare it with pure cultures of fermentative bacteria and pre-treated methanogenic granular sludge. The mixed culture was submitted to assays with different carbon sources, of which microbial growth and detection of hydrogen in glucose, sucrose and fructose stood out. Subsequently, the mixed culture and pure fermentative cultures (inoculum 1-Clostridium acetobutylicum ATCC824 and inoculum 2-Clostridium beijerinckii ATCC10132) were inoculated in specific culture media for Clostridium sp. (PYG, RCM, TYA, MITRA) in anaerobic batch reactors, kept under agitation and static mode. Higher productions of ethanol and volatile fatty acids were verified in the reactors with the RCM and PYG culture media. Subsequently, assays were carried out in reactors fed with glucose, with generations of hydrogen and butanol for pure cultures (inocula 1 and 2), in addition to generations of ethanol for the mixed culture of anaerobic bacteria (inoculum 3). In reactors fed with citrus effluent, 21.2 were obtained; 15.7 and; 37.6 mmol H2 L-1 with inocula 1; 2 and 3, respectively. Increasing proportions were added in batch anaerobic reactors inoculated with pure cultures and mixed cultures to produce hydrogen and co-products. In condition 1 (0% EC+100% RCM media), with inoculas 1 and 2, butanol generations were obtained and with inoculum 3, a high production of ethanol was observed. In condition 2 (20% EC+80% RCM media), the hydrogen yields were 11.9; 9.4 and 12.5 mmol H2 L-1 for inocula 1, 2 and 3, respectively. However, in condition 3 (50%EC+50% RCM media), the production had a decline with values of 4.1; 5.9 and 11.5 mmol H2 L-1 for inocula 1, 2 and 3, respectively. In condition 4 (80%EC+20% RCM media) generations of 12.4; 15.0 and 13.1 mmol H2 L-1 for inocula 1, 2 and 3, respectively. However, in condition 5 (100% EC+0% RCM media), there was a low production of hydrogen with values of up to 4 mmol H2 L-1 in inoculum 3. A test was performed with a mixture of pure cultures (50% inoculum 1+ 50% inoculum 2), in assays I (80% EC + inoculum 1 + inoculum 2) and assay II (100% EC + inoculum 1 + inoculum 2) and assay III (100% EC + pre-treated methanogenic granular sludge). Hydrogen yields in tests I, II and III were 17.7; 16.5 and 7.6 mmol H2 L-1, respectively, proving that the addition of pure cultures increased hydrogen production. The mixed culture showed relative abundances of fermentative bacteria distributed mainly in the genera Clostridium, Bacillus and Lactobacillus with relative abundances of 13.65%, 20.44% and 10.61%, respectively, probably involved in the hydrogen and ethanol generations verified. The efficiency of anaerobic digestion in the treatment of agro-industrial effluents such as oranges has been proven in the reuse and generation of biofuels.