Produção biológica de hidrogênio a partir de glicerol por Clostridium acetobutylicum ATCC 824

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2010Estudos reportados na literatura indicam que a Clostridium acetobutylicum ATCC 824 não cresce em meio contendo apenas glicerol como fonte de carbono. Este indicativo foi reportado para situações onde o objetivo é a produção de biossolventes, por exemplo, biobutanol. Não há registro de obtenção de biohidrogênio a partir desta bactéria cultivada apenas em glicerol. A presente pesquisa teve como objetivo estudar o potencial de produção de hidrogênio por C. acetobutylicum ATCC 824, aproveitando um resíduo industrial da produção de biodiesel, o glicerol. Ferramentas de engenharia metabólica foram utilizadas para explorar a capacidade da C. acetobutylicum ATCC 824 de crescer e produzir hidrogênio a partir de glicerol como única fonte de carbono. Foi utilizado um modelo metabólico simplificado de 20 reações e 25 metabólitos. Com o resultado da Análise de Balanço de Fluxo (FBA), foi possível prever crescimento e produção de biohidrogênio. Foi estabelecido um protocolo experimental elaborado a partir da literatura e pela primeira vez foi demonstrado que, dadas as condições adequadas, é possível obter crescimento bacteriano e produção de hidrogênio a partir de glicerol como única fonte de carbono pela C. acetobutylicum ATCC 824. A comparação entre os processos de produção de hidrogênio através de glicose e glicerol mostrou que o rendimento da produção de hidrogênio a partir de glicerol nas condições estudadas é inferior à produção a partir de glicose. Uma avaliação dos perfis de produção de hidrogênio, consumo de substrato, e variação do pH do meio de cultura, indicou uma inibição que conduziu a bactéria a apresentar um comportamento predominantemente solventogênico durante as fermentações, o que indica que, apesar de terem permitido crescimento bacteriano, as condições operacionais definidas não são ótimas para esse processo. Podemos concluir também que a capacidade de produção de biohidrogênio a partir de glicerol poderá ser aumentada através da realização de otimização de parâmetros de operação e composição do meio de cultura. O glicerol bruto proveniente da fabricação do biodiesel por rota ácida mostrou-se um substrato adequado para promover o crescimento da C. acetobutylicum ATCC 824 sem tratamento prévio. A produção de energia elétrica #in situ# através da utilização direta de uma célula a combustível do tipo PEM foi demonstrada. Este é um resultado qualitativo, porém de grande interesse, uma vez que possibilita a aplicação direta da tecnologia aqui desenvolvida sem a necessidade do armazenamento de hidrogênio, que ainda é uma questão problemática cujo processo ainda está em aberto.Hydrogen is being projected as an important component of the new world energetic matrix as a clean efficient energy carrier. The use of low-priced glycerol streams generated in the production of biodiesel represents a promising route to improve its economic viability. Clostridium has been extensively studied for hydrogen generation with many substrates and these studies imply that C. acetobutylicum ATCC 824 only metabolizes glycerol in the presence of glucose. In this work we provide evidence and describe anaerobic batch fermentations of C. acetobutylicum utilizing glycerol as the only carbon source, and compared growth and product formation with glucose fermentations. In silico FBA studies were carried out considering glycerol as carbon source and they indicated that would be possible to grown a culture using only such substrate. It was described and shown the results of an anaerobic batch fermentation of C. acetobutylicum utilizing glycerol as the only carbon source. The maximum yield of hydrogen produced from pure glycerol was up to 0,133 mol/mol. This yield was obtained from a non-optimized (preliminary) experiment and possibly will be increased when the operational parameters are optimized. The experiments compared growth and product formation of C. acetobutylicum ATCC 824 utilizing both glucose and glycerol as the sole carbon source in batch cultures. Semiquantitative tests were also conducted with raw glycerol from biodiesel production and integrating a PEM fuel cell for online electricity generation. Results show that, although the production of biohydrogen from glycerol is lower when compared with glucose fermentations, it#s possible to produce hydrogen from pure glycerol and directly from biodiesel byproducts. The online electricity generation also show positive results. These results indicated that biodiesel derived glycerol is a promising low-cost renewable feedstock for hydrogen production