Bioprocesso intensificado para a conversão anaeróbia de gás de síntese a biocombustíveis

Tese de doutoramento em Engenharia Química e BiológicaIn the last decades, biological conversion of syngas has been studied and explored, in order to become an environmental friendly biotechnological alternative for the chemical route. Lignocellulosic biomass and other recalcitrant residues are a widely available feedstock that can be easily converted to syngas through gasification. Anaerobic microorganisms are able to use this syngas mixture, mainly composed by carbon monoxide (CO), hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2), as energy and carbon source to produce biofuels and other valuable chemicals. In this thesis, new routes for process intensification of biological syngas conversion were explored, addressing innovative aspects for enhancing gas-liquid mass transfer and overall process efficiencies based on enhanced gas-liquid contacting using oscillatory flow mixing and biological mixed cultures. The prospection for methane (CH4) production and other alternative products during anaerobic syngas conversion was initially studied in batch incubations, using mesophilic mixed cultures. The effect of process controlling parameters, such as medium pH, syngas total pressure, and CO partial pressure, in the efficiency of the process was investigated. Complete consumption of CO and H2 was obtained in all conditions, in less than 72 h at 1.0 atm syngas. Methanogenicinhibited biomass was able to produce volatile fatty acids (VFA), alternatively to CH4 with a maximum specific production of 27.3 mM VFA atm-1 (at pH 6.9 and 1.0 atm). In a second approach, consumption rates of CO and H2 were determined, achieving 0.77 and 1.64 mmol d-1 as the maximum values, respectively (at 2.5 atm syngas). Methane production rates were also determined, being 0.39 mmol d-1 the maximum obtained (at 1 atm with 60 % of CO). Methane production rate variation with dissolved CO concentration in the liquid behaved as a typical Monod kinetics, describing inhibition effect above a certain CO concentration, for experiments at higher syngas pressures. In those conditions VFA accumulation as high as 23 mM was also achieved and related with CO inhibition. In order to design a bioreactor capable of performing intensified syngas bioconversion, gas-liquid mass-transfer performance was studied in a multi-orifice oscillatory baffled column (MOBC), using CO2 as model gas. Different baffle configurations with varying orifice diameters (do) in the range of 6.4–30 mm and relative baffle open area (α) of 15–42 % were used. Bubble size distributions (BSDs) and the overall volumetric CO2 mass transfer coefficient (KLa) were experimentally evaluated for a range of gas flow rates (0.01–0.1 vvm) and fluid oscillations (f = 0–10 Hz and x0 = 0–10 mm). Flow visualisation and bubble tracking experiments demonstrated that a small do of 10.5 mm combined with small α = 15 % generates sufficient, strong eddy mixing capable of trapping an extremely large fraction of microbubbles in the column. This resulted in increased interfacial area yielding maximum KLa values of 65 ± 12 h-1 obtained at 0.1 vvm, representing an up to 3-fold increase in comparison to CO2 dissolution rate in the un-baffled, steady column. A modified oscillatory Reynolds number (Reo) and Strouhal number (St ) were also presented to assist the scale-up of gas-liquid systems in oscillatory baffled columns. The anaerobic syngas conversion initially studied in batch incubations was then investigated in the oscillatory baffled system optimised to enhance gas-liquid mas transfer. Here, the novel 10 L multi-orifice oscillatory baffled bioreactor (MOBB), was fed in batch and continuous mode with a syngas mixture composed of 60 % CO, 10 % CO2, and 30 % H2 (v/v), and operated under oscillatory flow mixing. The effect of mixing intensity and inlet syngas flow rates was experimentally assessed in respect to CH4 production. Under discontinuous syngas injection, enhancement in the uptake rates of CO and H2 (up to 6-fold and 3-fold, respectively) were obtained, showing strong positive correlation with Reo. At the same conditions, CH4 production rate was found to be insensitive to Reo, suggesting that the biological methanogenic reaction controls the process, which represents a major bottleneck to batch syngas conversion using mixed anaerobic microorganisms that cannot be overcome by improving the dissolution or uptake rates of syngas components. Surprisingly, continuous syngas injection in the MOBB has resulted in up to 27-fold enhancement on CH4 production rates and up to 8-fold in CO and H2 uptake rates. The use of continuous gas flow led to increase reaction rates, by acting as a driving force in the kinetics of the process. The reaction rates showed strong correlation with CO loading rates assuming Monod type kinetics behaviour, changing from first order to order zero by increasing CO loading rates. Finally, a preliminary approach of flux balance analysis was used to characterise the preferable metabolic pathways during syngas microbial conversion by mixed anaerobic cultures, showing potential for helping in enhancing process efficiency.Nas últimas décadas, a conversão biológica do gás de síntese tem sido explorada, visando tornar-se uma alternativa biotecnológica e ecológica à via química. A biomassa lignocelulósica e outros resíduos recalcitrantes são uma matéria-prima largamente disponível que pode ser facilmente convertida a gás de síntese, através de gasificação. Há microrganismos anaeróbios capazes de usar esta a mistura de gás, composta sobretudo por monóxido de carbono (CO), hidrogénio (H2) e dióxido de carbono (CO2), como fonte de carbono e energia para produzir biocombustíveis e produtos químicos. Nesta tese são exploradas novas vias para intensificação de processo da conversão biológica do gás de síntese, com melhoria da transferência de massa gás-líquido e eficiências globais do processo, explorando os benefícios do uso de mistura de fluxo oscilatório e culturas biológicas mistas. O potencial para produção de metano (CH4) e outros produtos alternativos, durante a conversão anaeróbia do gás de síntese foi inicialmente estudada em ensaios descontínuos, usando culturas mistas mesofílicas. Estudou-se o efeito de parâmetros processuais, como o pH, a pressão total do gás e a pressão parcial de CO, na eficiência do processo. Em menos de 72 h, obteve-se consumo total de CO e H2 em todas as condições, a 1.0 atm. A biomassa com actividade metanogénica inibida foi capaz de produzir ácidos gordos voláteis (AGV), em alternativa ao CH4, com produção máxima específica de 27.3 mM AGV atm-1 (a pH 6.9 e 1.0 atm). Numa segunda abordagem, determinaram-se as taxas de consumo de CO e H2, atingindo valores máximos de 0.77 and 1.64 mmol d-1, respectivamente, a 2.5 atm, e as taxas de produção de CH4, com 0.39 mmol d-1 como máximo obtido a 1 atm com 60 % de CO. A variação da taxa de produção de CH4 com a concentração de CO dissolvida no líquido obedeceu à cinética típica de Monod, mostrando efeito de inibição acima de um certo nível de concentração de CO, para os ensaios a pressões mais elevadas de gás de síntese. Nessas condições, atingiu-se uma acumulação de AGV (até 23 mM), relacionada com a inibição de CO. Para desenvolver um reactor biológico capaz de intensificar a conversão biológica do gás de síntese, estudou-se a transferência de massa gás-liquido numa coluna oscilatória com anteparos de múltiplos orifícios (COAMO), usando CO2 como gás modelo. Usaram-se anteparos com distintos diâmetro de orifício (do = [6.4–30] mm) e área aberta (α = [15–42] %). A distribuição do tamanho de bolhas (DTB) e o coeficiente volumétrico global de transferência de massa de CO2 (KLa) foram avaliados numa gama de caudal de gás (0.01–0.1 vvm) e oscilação de fluido (f = 0–10 Hz, x0 = 0–10 mm). Observações do fluxo e rastreamento das bolhas demonstraram que um pequeno do (10.5 mm) combinado com um pequeno α (15 %) gera mistura de vórtices capaz de reter uma fracção grande de microbolhas na coluna. Isto resultou no aumento da área interfacial produzindo um KLa máximo de 65 ± 12 h-1 obtido a 0.1 vvm, representando um aumento até 3 vezes em comparação com a taxa de dissolução de CO2 na coluna sem anteparos. Apresentaram-se, ainda, modificações aos números de Reynolds oscilatório (Reo) e de Strouhal (St ) que auxiliam o aumento de escala de colunas oscilatórias com anteparos em sistemas gás-liquido. A conversão anaeróbia de gás de síntese foi também investigada no sistema oscilatório com anteparos optimizado para melhorar a transferência de massa gás-liquido. Aqui, o novo reactor biológico oscilatório com anteparos de múltiplos orifícios (RBOAMO), foi alimentado em modo descontinuo e contínuo com mistura de gás de síntese composta por 60 % CO, 10 % CO2 e 30 % H2 (v/v), e operada mistura de fluxo oscilatório. O efeito da intensidade de mistura e dos caudais de entrada de gás de síntese sobre a produção de CH4, foram experimentalmente avaliados. Em modo descontínuo, obtiveram-se taxas de consumo de CO e H2 superiores (até 6 e 3 vezes, respectivamente), mostrando uma forte correlação positiva com o Reo. Às mesmas condições, o Reo não teve efeito sobre a produção de CH4, sugerindo que o processo é controlado pela reacção metanogénica, representando uma limitação à conversão descontínua do gás de síntese usando culturas mistas que não conseguem superar a melhoria das taxas de dissolução ou consumo dos substratos. Surpreendentemente, a injecção contínua de gás de síntese no (RBOAMO) resultou num aumento na taxa de produção de CH4 até 27 vezes e até 8 vezes nas taxas de consumo de CO e H2. A utilização de fluxo continuo de gás levou ao aumento das taxas de reacção, actuando como força motriz na cinética do processo. As taxas de reacção mostraram um forte correlação com a carga de CO assumindo um comportamento típico da cinética de Monod, mudando de ordem um para zero com o aumento da carga de CO. Finalmente, usou-se uma abordagem preliminar de análise do balanço de fluxo para caracterizar as vias metabólicas preferenciais durante a conversão microbiológica do gás de síntese por culturas anaeróbias mistas, tendo mostrado potencial para auxiliar na melhoria da eficiência do processo.The work presented in this thesis was financially supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) and European Social Fund (POPHQREN) through a research grant (ref. SFRH/BD/62273/2009) and by the FEDER funds through the project FCOMP-01-0124-FEDER-027894, financed under the Operational Competitiveness Programme (COMPETE), and by national funds through the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT)