Produção de biohidrogénio por fermentação aneróbia, a partir de resíduos fermentescíveis

Tese de mestrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2009As the world's energy need has been increasing exponentially, it is clear that reducing the dependence on fossil fuels is essential, given the decline of its reserves and the pollution generated by its use for energy. In this context, hydrogen is considered as a "clean" alternative, and a possible viable energy carrier for the future. The biological production of hydrogen (biohydrogen) represents only about 1% of total production. However, once this process has a favorable energy balance compared to conventional procesess, it has been subjected to development during past years, aiming at the improving and increasing yields. In this study, a microbiological anaerobic production of hydrogen, using different carbon sources, with simultaneous recovery of industrial waste, was conducted. Thus, in the first phase, based on previous studies with glycerol contained in wastes from the production of biodiesel as substrate, the composition of fermentation medium, in terms of concentration of the most economic valuable compounds (tryptone and yeast extract), was optimized according to the methodology of the Central Composite Design (DCC). In a second phase, the production of H2, under the same operating conditions, using glucose and xylose in synthetic medium and contained in paper sludge hydrolysates, as carbon source, was evaluated. Finally, the effect of the volume of headspace and the volume of the liquid phase on the process, was carried out. The results showed that the increase of tryptone and yeast extract concentration resulted in the increase in the volume of hydrogen produced and simultaneously in the decrease in the volume ratio H2/CO2, suggesting that in terms of economic analysis, there should be a commitment between the two factors Moreover, it was observed that the performance of the bacteria was not significantly affected by the presence of compounds other than glucose and xylose in paper hydrolysates, which is an advantage, considering the application of these process to a real system. Finally, it was found that the increase in the headspace with the increase of the ratio VTotal.reactor / Vliquid phase, was more efficient in terms of increasing the volumetric efficiency of the process (from 2.5 to 4.5 mL H2/mL fermentation medium) than the increase in the volume of the liquid phase at constant ratio, leading to similar values of volumetric efficiency (between 2 and 2.5 mL H2/mL fermentation medium).As necessidades energéticas mundiais têm aumentado exponencialmente e a redução da dependência dos combustíveis fósseis é imprescindível, dada a diminuição das suas reservas e a poluição gerada pela sua utilização para obtenção de energia. Nesse sentido, o hidrogénio é considerado uma alternativa “limpa”, viável e um possível vector energético do futuro. Actualmente, a produção de hidrogénio por via biológica (biohidrogénio) representa apenas cerca de 1% do total produzido. Contudo, sendo este um processo com balanço energético favorável relativamente aos convencionais, têm vindo a desenvolver-se estudos no sentido da sua optimização e aumento dos rendimentos obtidos. Neste trabalho, desenvolveu-se um processo microbiológico anaeróbio de produção de hidrogénio, a partir de diferentes fontes de carbono, com valorização simultânea de resíduos industriais. Assim, numa primeira fase e com base em estudos realizados anteriormente com glicerol contido em resíduos da produção de biodiesel, como substrato, optimizou-se a composição do meio de fermentação, em termos da concentração dos compostos de maior valor económico (triptona e extracto de levedura), pela metodologia do Desenho Composto Central DCC). Numa segunda fase, avaliou-se a produção de H2 utilizando como substrato, glucose e xilose em meio sintético e contidos em hidrolisados da produção da pasta de papel, nas mesmas condições operacionais. Por último, estudou-se o efeito do volume da headspace e do volume da fase líquida, sobre a resposta do sistema. Os resultados mostraram que o aumento das concentrações de triptona e de extracto de levedura conduziram a um aumento no volume de hidrogénio produzido mas a um decréscimo da razão volumétrica H2/CO2, o que sugere que, em termos de análise económica, deverá existir um compromisso entre os dois parâmetros. Além disso, foi também observado que o desempenho da bactéria não foi influenciado significativamente, pela presença de outros compostos além da glucose e xilose, num hidrolisado obtido por via enzimática, a partir de lamas da reciclagem de papel, o que é uma vantagem em termos de aplicação deste processo a um sistema real. Por último, verificou-se que o aumento do volume da headspace com o aumento da razão VT.reactor/Vfase líquida foi mais eficiente, em termos do aumento do rendimento volumétrico do processo (de 2,5 para 4,5 mL H2/mL meio de fermentação), do que o aumento do volume da fase líquida mantendo constante a referida razão, conduzindo a valores similares de rendimentos volumétricos (entre 2 e 2.5 mL H2/mL meio de fermentação)