Potencial da produção de biogás a partir da codigestão de dejetos bovino e macrófita invasora (Hydrilla verticillata)

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Ciências da Vida e da Natureza da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Biotecnologia. Orientadora: Profa. Dra. Márcia Regina BeckerA gestão e disposição inadequadas de dejetos bovinos podem causar a contaminação de corpos d'água, levando ao crescimento exacerbado de plantas aquáticas como a Hydrilla verticillata. Esta é uma macrófita invasora do Rio Paraná que, devido à sua alta capacidade de adaptação e dispersão, apresenta potencial para causar diversos prejuízos ambientais e econômicos. Aplicar um pré-tratamento biológico em biomassas lignocelulósicas pode melhorar a biodegradabilidade e facilitar a conversão destas em bioenergia. Diante disso, a biodigestão anaeróbia é uma importante ferramenta que possibilita o tratamento e aproveitamento energético de materiais orgânicos. A codigestão anaeróbia combina diferentes substratos e é uma estratégia promissora para otimizar a produção de biogás, no entanto, mais estudos são necessários sobre a viabilidade de utilizar novos substratos e prétratamentos. A adição do inóculo, uma população adicional de microrganismos já adaptada ao processo, também é recomendada para a otimização da biodigestão. Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial da produção de biogás a partir da mono e codigestão de dejetos bovinos e H. verticillata. Uma solução tampão de bicarbonato de sódio (0,13 mol/L) foi utilizada para homogeneizar os substratos e ajudar a prevenir a acidificação do meio. Os substratos foram caracterizados mediante análise gravimétrica dos sólidos e a produção de biogás foi analisada através do Potencial Bioquímico de Metano (PBM). Na codigestão (razão 2:1 de dejeto:macrófita, respectivamente), foram analisados os efeitos da adição do inóculo e da aplicação de um pré-tratamento biológico na biomassa da H. verticillata. Após 40 dias de tempo de retenção hidráulica, o volume acumulado de biogás foi de 671mL e 1585 mL na monodigestão de dejeto e de macrófita, respectivamente; enquanto que, nos ensaios de codigestão obteve-se: 1120 mL (sem inóculo), 1173 mL (com inóculo) e 609 mL (com inóculo e macrófita pré-tratada). Portanto, a macrófita sem pré-tratamento biológico é um substrato adequado para a produção de biogás, seja como substrato único ou cossubstrato da biodigestão anaeróbia. Os ensaios utilizando a H. verticillata (sem pré-tratamento) resultaram no aumento de mais de 60% no volume de biogás produzido, em relação à monodigestão de dejetos. A adição do inóculo melhorou a biodigestão anaeróbia, acelerando a degradação da matéria orgânica, reduzindo o tempo de retenção hidráulica, antecipando o pico da produção de biogás e melhorando o conteúdo de metanoInadequate management and disposal of bovine manure can cause contamination of water bodies, leading to exacerbated growth of aquatic plants such as Hydrilla verticillata. This is an invasive macrophyte of the Paraná River that, due to its high adaptability and dispersion, has the potential to cause several environmental and economic damages. Applying biological pretreatment to lignocellulosic biomass can improve biodegradability and facilitate their conversion to bioenergy. Given this, anaerobic biodigestion is an important tool that enables the treatment and energy utilization of organic materials. Anaerobic co-digestion combines different substrates and is a promising strategy to optimize the production of biogas, however, more studies are needed on the feasibility of using new substrates and pre-treatments. The addition of the inoculum, an additional population of microorganisms previously adapted to the process, is also recommended for the optimization of biodigestion Therefore, this work aimed to evaluate the potential of biogas production from mono and co-digestion of bovine manure and H. verticillata. A sodium bicarbonate buffer solution (0.13 mol/L) was used to homogenize the substrates and to help prevent acidification of the medium. Substrates were characterized by gravimetric analysis of solids and biogas production was analyzed by Biochemical Methane Potential (BMP). In the co-digestion (ratio of 2:1 - manure:macrophyte, respectively), the effects of inoculum addition and biological pretreatment on H. verticillata biomass were analyzed. After 40 days of hydraulic retention time, the accumulated volume of biogas was 671mL and 1585 mL in the manure and macrophyte monodigestion, respectively; while in the co-digestion assays were obtained: 1120 mL (without inoculum), 1173 mL (with inoculum) and 609 mL (with inoculum and pretreated macrophyte). Therefore, macrophyte without biological pretreatment is a suitable substrate for biogas production, either as a single substrate or anaerobic biodigestion substrate. Tests using H. verticillata (without pretreatment) resulted in an increase of more than 60% in the volume of biogas produced compared to monodigestion of bovine manure. Inoculum addition improved anaerobic digestion, accelerating the degradation of organic matter, reducing hydraulic retention time, anticipating peak biogas production and improving methane contentEl manejo y la eliminación inadecuados de los desechos ganadero pueden causar la contaminación de los cuerpos de agua, lo que lleva a un crecimiento exacerbado de las plantas acuáticas como la Hydrilla verticillata. Esta es una macrófita invasora del Río Paraná que, debido a su alta adaptabilidad y dispersión, tiene el potencial de causar varios daños ambientales y económicos. La aplicación de pretratamiento biológico a la biomasa lignocelulósica puede mejorar la biodegradabilidad y facilitar su conversión en bioenergía. Ante esto, la biodigestión anaerobia es una herramienta importante que permite el tratamiento y la utilización de energía de los materiales orgánicos. La codigestión anaerobia combina diferentes sustratos y es una estrategia prometedora para optimizar la producción de biogás, sin embargo, se necesitan más estudios sobre la viabilidad de nuevos sustratos y pretratamientos. La adición de inóculo, una población adicional de microorganismos ya adaptados al proceso, también es recomendada para la optimización de la biodigestión. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue evaluar el potencial de producción de biogás a partir de mono y codigestión de desechos ganadero y H. verticillata. Una solución tampón de bicarbonato de sodio (0,13 mol/L) fue usada para homogeneizar los sustratos y ayudar a prevenir la acidificación del medio. Los sustratos fueron caracterizados por análisis gravimétrico de sólidos y la producción de biogás fue analizada por el Potencial Bioquímico de Metano (PBM). En la codigestión (la relación 2:1 de desechos y macrófita, respectivamente), fueron analizados los efectos de la adición de inóculo y el pretratamiento biológico sobre la biomasa de la H. verticillata. Después de 40 días de tiempo de retención hidráulica, el volumen acumulado de biogás fue de 671 ml y 1585 ml en la monodigestión de desecho y de la macrófita, respectivamente; mientras que en los ensayos de codigestión se obtuvieron: 1120 ml (sin inóculo), 1173 ml (con inóculo) y 609 ml (con inóculo y macrófita pretratada). Por lo tanto, la macrófita sin pretratamiento biológico es un sustrato adecuado para la producción de biogás, sea como sustrato único o como co-sustrato de biodigestión anaerobia. Las pruebas con H. verticillata (sin pretratamiento) dieron como resultado un aumento de más del 60% en el volumen de biogás producido en relación con la monodigestión de los desechos. La adición de inóculo mejoró la digestión anaerobia, acelerando la degradación de la materia orgánica, reduciendo el tiempo de retención hidráulica, anticipando la producción máxima de biogás y mejorando el contenido de metan