Production of hydrogen by anaerobic fermentention: nutritional enrichment and influence of luminosity

Hydrogen is considered one of the most promising energy carriersdue its high energy conversion efficiency. In this way, the intensive investigation of the sustainable production of hydrogen attracts more and more researchers. In the present work, the potential hydrogen producer by the bacteria Enterobacter aerogenes and Enterobacter cloacae was studied for for different parameters. The batch fermentations evaluated the influence of light and sources of carbon, glucose and whey permeate. In addition, the influence of inert gases nitrogen and argon in the light fermentation for hydrogen producing bacteria was also verified. The tests were carried out in 50 mL reactors during 108 hours. In the case of E. aerogenes the substrate was the variable that most influenced the fermentation. The volume of hydrogen obtained using glucose as substrate was higher than the fermentation with cheese whey permeate, and the best fermentation conditions of the respective substrates generated 3.18 and 0.86. It was also verified that the influence of the light got positive results, being the fermentation yield with glucose in the presence and absence of light of 0.94 and 1.51 mols H2/mol of hexose, respectively. However, the influence of E. cloacae in the substrate and illumination was less expressive. In the dark fermentation the yields for glucose and lactose were 1.60 and 1.39 mols H2/mol of hexose, respectively. While in the light fermentation the yield was equivalent to glucose and 33% higher for lactose when compared to the dark situation. About the inert gas, only the E. cloacae showed improvement in the results. The yield in the presence of argon gas and was higher by 47% and 37% for glucose and lactose, respectively, when compared to the same condition with nitrogen gas. Verifying better results for E. cloacae, the microorganism was evaluated in the hybrid system condition in a 50 mL reactor. The effluent generated in the dark fermentation was used in the light phase, which generated a yield of 2.01 mols H2/mol hexose. The increase in fermentation scale for a stirred tank reactor of 1.5 L was proposed for E. cloacae. In this system, the dark fermentation happened for 432 hours while the biogas production was verified, obtaining a maximum yield of 110.09 mmol H2/L·day and yield of 2.16 mols H2 mol/mol hexose. In general, E.cloacae showed to be more promising for the production of hydrogen using both glucose and lactose as carbon source, and the results of this microorganism were optimized in the presence of inert gas argon.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorFAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisDissertação (Mestrado)O hidrogênio é considerado como um dos portadores de energia mais promissores, o que se deve à sua alta eficiência de conversão em energia. Neste sentido, a investigação intensiva da produção sustentável de hidrogênio atrai cada vez mais pesquisadores. No presente trabalho, estudou-se o potencial produtor de hidrogênio das bactérias Enterobacter aerogenes e Enterobacter cloacae variando-se parâmetros operacionais. As fermentações realizadas em batelada avaliaram a influência da luz e das fontes de carbono, glicose e permeado do soro de leite. Além disso, também foi verificada a influência dos gases inertes nitrogênio e argônio na fermentação clara para as bactérias produtoras de hidrogênio. Na primeira etapa deste trabalho, os ensaios realizados ocorreram em reatores de 50 mLcom duração de 108 horas. Para a E. aerogenes, o substrato foi a variável que mais influenciou a fermentação. O volume de hidrogênio obtido utilizando glicose como substratofoi superior à fermentação com permeado de soro de queijo, sendo que as melhores condições fermentação dos respectivos substratos geraram 3,18 e 0,86 mmol de H2. Verificou-se também que a incidência de luz gerou resultados positivos, sendo o rendimento da fermentação com glicose na presença e ausência de luz foi de 1,51 e 0,94 mols H2/mol de hexose, respectivamente. Entretanto, para E. cloacae, a influência do substrato e da iluminação foram menos expressivas. Na fermentação escura os rendimentos para glicose e lactose foram de 1,60 e 1,39 mols H2/mol de hexose, respectivamente. Enquanto que, na fermentação clara o rendimento foi equivalente para a glicose e superior em 33% para a lactose, quando comparados a situação escura. Em relação a substituição do gás inerte nitrogênio por argônio, apenas a E. cloacae apresentou melhora nos resultados, o que foi observado para ambos os substratos em estudo. O rendimento na presença do gás argônio foi superior em 47% e 37% para glicose e lactose, respectivamente, quando comparados a mesma condição com o gás nitrogênio. Este melhor resultado indica uma mudança na rota metabólica do microrganismo, sendo uma possibilidade a utilização da enzima nitrogenase para a síntese de H2. Verificando melhores resultados para a E. cloacae, o microrganismo foi avaliado na condição de sistema híbrido, em reator de 50 mL. O sobrenadante gerado na fermentação escura pela E.cloacae foi utilizado na pela mesma bactéria na fase clara, o que gerou um rendimento de 2,01 mols de H2/mol de hexose. O aumento na escala de fermentação para um reator de tanque agitado de 1,50 L foi empregado para E. cloacaena condição escura. Neste sistema, a fermentação escura ocorreu por 432 horas, período em que foi observado a produção de biogás. A produtividade máxima obtida com o sistema foi de 110,09 mmol H2/L·dia e o rendimento de 2,16 mols H2 mol/mol hexose. A produção de ácidos orgânicos e etanol também foi verificada, sendo o ácido butírico o metabólico com maior expressão no meio. De forma geral, foi verificado que a E.cloacae se mostrou mais promissora à produção de hidrogênio utilizando tanto glicose como lactose como fonte de carbono, sendo os resultados deste microrganismo otimizados na presença do gás inerte argônio