New perspectives for methane production from long-chain fatty acids

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e BiológicaA produção de energia a partir de fontes renováveis é hoje uma prioridade. A digestão anaeróbia, através da conversão de resíduos sólidos e águas residuais em biogás, tem um papel importante a desempenhar neste contexto. Os lípidos e ácidos gordos de cadeia longa (AGCL), comuns nas águas residuais municipais e industriais, são compostos com elevado potencial de produção de energia. Contudo, o seu tratamento com as tecnologias anaeróbias convencionais é ainda difícil, sobretudo devido à acumulação de AGCL no bioreactor. O desenvolvimento da tecnologia e optimização do processo são, então, necessários para ultrapassar essas dificuldades operacionais. Nesta tese, novas estratégias para optimizar a produção de metano a partir de águas residuais ricas em AGCL são delineadas. Estratégias baseadas numa alimentação intermitente provaram ser adequadas à conversão de AGCL a metano. Pulsos de um efluente real de lacticínios conduziram a um aumentou gradual do rendimento em metano, e a uma diminuição dos ácidos gordos voláteis acumulados em ensaios batch. A degradação de AGCL em reactor contínuo de alta carga só foi possível após uma fase de arranque com alimentação intermitente. Após três ciclos de alimentação/batch, a acumulação de AGCL tornou-se negligenciável, possibilitando subsequentemente uma operação estável em contínuo para cargas orgânicas até 21 kg CQO m-3 dia-1 (50% oleato) e rendimentos em metano superiores a 70%. A alternância de fases de alimentação/batch é sugerida como uma estratégia chave para aclimatação do inóculo em reactores contínuos de alta carga a tratar águas residuais ricas em AGCL. Estratégias de bioaumentação para optimizar a produção de metano a partir de AGCL foram também estudadas. A adição de Syntrophomonas zehnderi, uma bactéria capaz de degradar AGCL saturados e insaturados, a frascos fechados contendo biomassa anaeróbia originou uma produção rápida de biogás, acompanhada por elevados rendimentos em metano. Estes efeitos foram ainda mais notórios quando a bioaumentação foi efectuada na presença de um micro-suporte (sepiolite). Os efeitos positivos da sepiolite podem ser relacionados com uma diminuição da toxicidade do oleate sobre os microrganismos metanogénicos acetoclásticos, ou com um estímulo das relações sintróficas. Esta estratégia pode ser uma alternativa adequada, ou um complemento, para acelerar o arranque em reactores contínuos de alta carga a tratar águas residuais ricas em AGCL. Quando AGCL insaturados com 18 átomos de carbono são continuamente alimentados a reactores anaeróbios, a acumulação de quantidades consideráveis de palmitato (um AGCL saturado com 16 átomos de carbono) tem sido reportada. Este facto é inesperado, uma vez que sugere a interrupção do processo de β-oxidação logo após a realização de um ciclo, embora seja termodinamicamente viável mesmo na ausência de transferência de hidrogénio inter-espécies. A possibilidade de uma conversão não-sintrófica de AGCL Cn insaturados a AGCL Cn-2 saturados foi estudada em bioreactores anaeróbios em que a actividade metanogénica foi selectivamente inibida. Os resultados mostram que esta conversão realmente acontece, é rápida e independente da transferência de hidrogénio inter-espécies, i.e. pode ocorrer mesmo na ausência de actividade metanogénica. A acumulação do intermediário Cn-2 saturado sugere que a β-oxidação é o passo limitante na conversão de AGCL a metano, em oposição à teoria aceite de que a degradação dos AGCL insaturados era o passo que restringia todo o processo. Assim, estratégias que estimulem o desenvolvimento das comunidades microbianas sintróficas e acelerem as reacções de β-oxidação constituem a chave para optimizar a produção de metano em bioreactores anaeróbios.Energy production from renewable sources is a worldwide priority in which anaerobic digestion, through waste/wastewater conversion to biogas, has an important role. Lipids and long-chain fatty acids (LCFA), commonly present in municipal and industrial wastewater, have a high energy potential. However, efficient treatment of this type of wastewater with conventional anaerobic technology is still limited by operating problems, mainly due to LCFA accumulation inside the bioreactor. Technological improvement and process optimization are thus required to overcome those drawbacks. This thesis outlines new strategies for optimal methane production from LCFA-rich wastewater. Intermittent feeding strategies were proven to be effective for LCFA conversion to methane. A progressive improvement in methane yield, and lower accumulation of volatile fatty acids (VFA), were observed during sequential pulses of a real dairy wastewater to batch assays. Additionally, high rate LCFA degradation in a continuous bioreactor was only possible after an intermittent feeding start-up. LCFA accumulation became negligible after three successive cycles of sequential feeding/batch operation. Subsequently, a stable continuous operation was attained at organic loading rates up to 21 kg COD m-3 day-1 (50% as oleate), with methane yields higher than 70%. Sequencing feeding/batch phases is thus suggested as a key strategy for inoculum acclimation in high rate continuous processes treating LCFA-rich wastewater. Bioaugmentation strategies for enhancing methane production from LCFA were also studied. Fast methane production and high methane yields were observed in batch assays in which anaerobic sludge was amended with Syntrophomonas zehnderi, a bacterium able to degrade saturated and unsaturated LCFA. These effects were more noticeable when bioaugmentation of the sludge was performed in the presence of a solid microcarrier (sepiolite). The positive effects of sepiolite can be related to a decrease in oleate toxicity towards the acetoclastic methanogens, or to an improvement of the syntrophic relationships. This might be a suitable alternative or complementary strategy for shortening the start-up period of high rate continuous processes treating LCFA-based wastewater. Palmitate (a saturated C16 LCFA) has been reported as the most abundant intermediate accumulating during continuous feeding of C18 unsaturated LCFA. This is unexpected, since it suggests the interruption of β-oxidation just after one cycle, but is thermodynamically feasible even in the absence of interspecies hydrogen transfer. Potential non-syntrophic conversion of Cn unsaturated LCFA to Cn-2 saturated LCFA was studied in anaerobic bioreactors, in which methanogenic activity was selectively inhibited. Results shown that this conversion actually occurs, is fast and independent of interspecies hydrogen transfer, i.e. can occur even in the absence of methanogenic activity. Moreover, accumulation of the intermediate Cn-2 saturated LCFA suggests that β-oxidation is the limiting step in the overall conversion, contradicting the accepted theory that unsaturated LCFA biodegradation is the bottleneck of the whole process. Therefore, strategies that stimulate the development of syntrophic microbial communities and accelerate the syntrophic β-oxidation reactions are the key for optimal methane production