Performance of fixed bed anaerobic reactors to the butanol and ethanol production from wastewater

Orientador: Ariovaldo José da SilvaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia AgrícolaResumo: A crescente demanda por fontes de energia renováveis vem direcionando esforços e interesses por pesquisas focadas no desenvolvimento de biocombustíveis, a partir da digestão de resíduos provenientes de atividades agrícolas e agroindustriais. Neste contexto, a digestão anaeróbia pode ser direcionada para a produção e aproveitamento de subprodutos intermediários com alto valor agregado, como, por exemplo, etanol e butanol. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o desempenho de reatores anaeróbios de leito fixo e fluxo ascendente no tratamento de água residuária, visando à produção biológica de butanol e etanol a partir de uma cultura mista de micro-organismos selvagens. Foram utilizados dois reatores anaeróbios de leito fixo, com volume total de 3,77 litros. O primeiro reator foi mantido em condição acidogênica e o segundo em condição solventogênica. Os reatores foram operados em cinco diferentes etapas com tempo detenção hidráulica (TDH) de 2, 4 e 12 h e alimentados com água residuária sintética preparada para resultar em DQO em torno de 500 mg L-1, 1.000 mg L-1, 4.000 mg L-1 e 12.000 mg L-1, tendo como principal fonte de carbono sacarose. Além disso, foram avaliadas duas condições de temperaturas diferentes, ambiente (variando de 25ºC a 30ºC) e controlada (35ºC). Em cada etapa também foi avaliada a influência do efeito da recirculação do biogás no desempenho dos reatores, operando-os por um período de 30 dias sem recirculação de biogás e 30 dias com recirculação de biogás. Os resultados mostraram que a suplementação de bicarbonato de sódio no preparo do afluente auxiliou no aumento da capacidade de tamponamento do sistema e a recirculação de biogás favoreceu a estabilidade nos valores de pH durante todo o período experimental nessa condição. A variação crescente do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da concentração de matéria orgânica (DQO) conduziu a um aumento na concentração de ácidos voláteis totais (AVT) e na concentração de produtos intermediários resultante da fermentação da sacarose. A concentração média de AVT variou de 89,3 mg L-1 da etapa I para 147,0 mg L-1 na etapa II, quando houve aumento do TDH e da DQO afluente. A variação da temperatura não influenciou a produção de AVT, na etapa III na qual a temperatura foi variável a concentração média de AVT detectada no efluente foi 546,0 mg L-1 e na etapa IV, com temperatura mantida em 35°C a concentração média de AVT no efluente foi 530,4 mg L-1. O melhor desempenho na produção de etanol foi verificado no reator solventogênico, com o pH em torno de 4,5, quando mantido com temperatura controlada a 35°C, TDH de 4 horas e taxa de carregamento orgânico (TCO) de 24 g DQO m-3d-1, sem recirculação de biogás. Nessa condição a concentração média de etanol detectada no efluente foi de 929,52 mg L-1. A produção de etanol não correspondeu ao aumento da TCO aplicado na etapa V, mantendo a concentração média de 993,35 mg L-1 na fase com recirculação de biogás. Butanol foi detectado em concentrações muito baixas, é provável que as condições de pH, tipo de reator e a estratégia de inoculação foram inadequadas para viabilizar a rota metabólica de produção de butanolAbstract: The growing demand for renewable energy sources has been directing efforts and interests by research focused on the development of biofuels from waste digestion from agricultural and agro-industrial activities. In this respect, anaerobic digestion can be directed to the production and use of intermediates by-products with high added value such as, for example, ethanol and butanol. The aim of this study was to evaluate the performance of anaerobic fixed bed and upward flow in the treatment of wastewater, aiming to organic production of butanol and ethanol from a mixed culture of wild microorganisms. We used two anaerobic fixed bed, with a total volume of 3.77 liters. The first reactor was kept in acidogenic condition and the second in solventogenic condition. The reactors were operated in five different stages with hydraulic retention time (HRT) of 2, 4 and 12 h fed synthetic wastewater prepared to result in COD around 500 mg L-1, 1,000 mg L-1, 4,000 mg L -1 and 12,000 mg L-1, the main carbon source sucrose. In addition, we evaluated two different conditions of temperature, environment (ranging from 25 ° C to 30 ° C) and controlled (35 ° C). At each step was also evaluated the influence of the effect of recirculation of the biogas reactor performance, operating them for a period of 30 days without recirculation of the biogas and 30 days with biogas recirculation. The results show that supplementation of sodium bicarbonate in the preparation of the influent assisted in increased system capacity and buffering biogas recirculation favored stability in pH during the entire experimental period in this condition. The increasing variation of hydraulic retention time (HRT) and the concentration of organic matter (COD) led to an increase in the concentration of volatile fatty acids (VFA) and the concentration of intermediate products resulting from the fermentation of sucrose. The average concentration of AVT ranged from 89.3 mg L-1 from step I to 147.0 mg L-1 in step II, when an increase of the HDT and the influent COD. The variation in temperature did not affect the production of AVT in step III in which the temperature varied from the mean concentration in the effluent was detected AVT 546.0 mg L-1 and stage IV with temperature maintained at 35 ° C the concentration AVT average of the effluent was 530.4 mg L-1. The improved performance in ethanol production was observed in solventogênico reactor with pH around 4.5, when kept at a temperature controlled at 35 ° C for 4 hours and TDH organic loading rate (TCO) 24 g COD m-3d-1, without recirculating the biogas. In this condition average ethanol concentration was detected in the effluent 929.52 mg L-1. Ethanol production did not correspond to the increase in TCO applied to the V phase, keeping the average concentration of 993.35 mg L-1 in phase with biogas recirculation. Butanol was detected at very low concentrations, it is likely that the conditions of pH, type of reactor and inoculation strategy have been inadequate for enabling the metabolic pathway of butanol production. Keywords: anaerobic digestion, solventogenic, butanol and ethanolMestradoAgua e SoloMestre em Engenharia Agrícol