Hydrogen production in thermophilic anaerobic fluidized bed reactor treating stillage as organic substrate

O presente estudo teve como principal objetivo avaliar a capacidade de produção contínua de hidrogênio, sob condições termofílicas (55ºC), a partir de diferentes concentrações de vinhaça de cana-de-açúcar em reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF) utilizando argila expandida como material suporte para adesão microbiana. Foram utilizados cinco reatores de idêntica configuração, denominados R5, R10, R15, R20 e R30, com variação na concentração afluente de 5000, 10.000, 15.000, 20.000 e de 30.000 mg DQO L-1, respectivamente (com cargas orgânicas volumétricas- TCO entre 15 e 720 kg DQO m-3 d-1). O tempo de detenção hidráulica (TDH) reduziu de 8, 6, 4, 2 e 1 h. Na estratégia de operação de um deles, (R5) investigou-se os efeitos da co-fermentação de porcentagens de glicose e de vinhaça no substrato de alimentação. Os outros quatro reatores foram operados mediante a adição de glicose como co-substrato ao afluente, apenas durante o período de partida operacional. Em todos os reatores, foi observado comportamento de elevação na produção volumétrica de H2 (PVH) a partir da diminuição do TDH. A máxima PVH obtida foi de de 1,96 L h-1 L-1 (R10; TDH de 1h; TCO de 240 kg DQO m-3 d-1). No entanto, verificou-se diminuição do rendimento de H2 (HY) e no conteúdo de H2 no biogás, com a aplicação dos TDH reduzidos, em todos os reatores, alcançando valor máximo de 4,62 mmol g DQOadicionada-1 no TDH de 8 h (R5) e 57.51% de H2 no TDH de 6 h (R20). O reator operado com a maior concentração de vinhaça (R30) apresentou menores valores de produção de H2, atribuídos aos compostos inibitórios (elevada concentração de ácidos voláteis no afluente - butírico e acético). As análises de clonagem e sequenciamento dos consórcios bacterianos termofílicos revelaram semelhanças (99%) com cepas produtoras de H2, como Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Clostridium cellulosi, Lactobacillus fermentum e Megasphaera elsdenii. A capacidade de produzir H2, a distribuição dos ácidos e a estrutura da comunidade bacteriana foram fatores influenciados pelo aumento da concentração de vinhaça e das TCO aplicadas.The present study aimed to evaluate the ability of continuous hydrogen production under thermophilic conditions (55 °C), from different sugar cane vinasse concentrations in anaerobic fluidized bed reactor (AFBR) using expanded clay as support material for microbial adhesion. Five reactors of identical configuration were used, denominated R5, R10, R15, R20 and R30, followed by influent variation concentration of 5000; 10,000; 15,000; 20,000 and 30,000 mg COD L-1, respectively (with organic loading rate- OLR varying from 15 to 720 kg COD m-3 d-1). The hydraulic retention time (HRT) decreases from 8, 6, 4, 2 and 1 h. The strategy applied to one of those (R5), investigated the co-fermentations effects across the application of different percentages of glucose and stillage in the fed substrate. The other four reactors were operated by adding glucose as co-substrate to the influent just during the start-up period. In all reactors, it was observed a volumetric H2 production (HPR) increase behavior from the HRT decrease. The maximum HPR obtained was 1.96 L h-1 L-1 (R10; HRT of 1h; OLR of 240 kg COD m-3 d-1). However, there was a decrease in H2 yield (HY) and H2 content in biogas, with the application of reduced HRT for all reactors, reaching maximum value of 4.62 mmol g CODadded-1 at HRT of 8 h (R5) and 57.51% of H2 at HRT of 6 h (R20). The reactor operated with the highest concentration of stillage (R30) showed lower values for H2 production, attributed to inhibitory compounds (high concentration of volatile acids in the affluent - butyric and acetic). The cloning and sequencing analyzes of the thermophilic bacterial consortium showed similarity (99%) with H2 producing strains, such as Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, Clostridium cellulosi, Lactobacillus fermentum and Megasphaera elsdenii. The ability to produce H2, the distribution of organic acids and the bacterial community structure analyzed in all reactors were factors influenced by the increasing stillage concentration and OLR applied