Influência dos pré-tratamentos de resíduos de podas urbanas no desempenho da codigestão anaeróbia de resíduos alimentares

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dc.contributor.advisorFernandes, Fernando
dc.contributor.authorPerin, Jessica Klarosk Helenas
dc.contributor.bancaCosta, Mônica Sarolli Silva de Mendonça
dc.contributor.bancaCalegari, Rubens Perez
dc.contributor.bancaSantos, Samantha Christine
dc.contributor.bancaEdwiges, Thiago
dc.contributor.coadvisorRezende, Maria Inês
dc.coverage.extent214 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-11-08T15:01:31Z
dc.date.available2024-11-08T15:01:31Z
dc.date.issued2023-03-03
dc.description.abstractA crescente busca por fontes renováveis de energia torna a codigestão anaeróbia - CoDA de resíduos alimentares - RA e biomassa lignocelulósica, como resíduos de poda urbana – RPU (grama, galhos e folhas), uma alternativa para a produção de biogás. Porém, a complexa estrutura desta biomassa torna o pré-tratamento uma das etapas mais relevantes do processo, seja para aumentar a disponibilidade dos componentes de interesse e/ou facilitar a ação das enzimas. Neste sentido, o presente estudo tem como objetivo avaliar a influência dos pré-tratamentos químico, físico e biológico nos RPU, visando a otimização da sua CoDA com RA quanto à produção de metano. Para isso, o trabalho foi dividido em três etapas. A Etapa 1 refere-se à aplicação de diferentes pré-tratamentos ao RPU (químico com H2SO4, químico com NaOH, físico por auto-hidrólise e biológico com o fungo Pleurotus ostreatus) variando os tempos de residência, temperatura e concentração, objetivando a conversão da estrutura lignocelulósica do material. Com base nestes resultados, a Etapa 2 avaliou, a partir do Ensaio BMP, a produção específica de metano - PEM da CoDA de RA e RPU pré-tratado e da mono-digestão de RPU pré-tratado, variando o percentual de RPU adicionado. Uma vez que o pré-tratamento biológico apresentou resultados mais satisfatórios frente aos objetivos do trabalho, na Etapa 2A estudou-se condições de cultivo do Pleurotus ostreatus, variando os fatores esterilização, solução umedecedora e nutrientes, com o objetivo de avaliar diferentes possibilidades de desenvolvimento do fungo. A Etapa 3 comparou e avaliou quali-quantitativamente o biogás e efluente gerados em dois reatores em escala piloto (Reator A: CoDA de RA + RPU bruto e Reator B: CoDA de RA + RPU pré-tratado biologicamente). Os resultados da Etapa 1 indicaram que os pré-tratamentos ácido (3%, 125 ºC e 22 minutos), alcalino (5,5%, 104 ºC e 15 horas), auto-hidrólise (121 ºC, 1 atm e 15 minutos) e biológico (28 ºC e 14 dias) foram as condições mais favoráveis para conversão de açúcares, remoção de lignina, aumento nos teores de celulose e mudanças na estrutura do RPU. A Etapa 2 indicou que, embora a CoDA de RA + 30% de RPU pré-tratado alcalino tenha promovido maiores remoções de sólidos totais voláteis - STV (55,37%) e demanda química de oxigênio - DQO (58,53%) e a CoDA de RA + 30% de RPU pré-tratado ácido tenham apresentado maiores volumes de biogás acumulado (981,01 NmL) e produção específica de biogás (298,59 NmL gSTV-1), não houve diferença significativa entre as condições de CoDA de RA + 30% de RPU pré-tratado alcalino, RA + 30% de RPU pré-tratado ácido e RA + 30% de RPU pré-tratado biologicamente no que se refere a PEM. Portanto, selecionou-se o pré-tratamento biológico para continuidade do estudo. Os resultados da Etapa 2A indicaram que tanto a solução umedecedora composta apenas por água, quanto a com condições ideais, promoveram remoção de lignina e crescimento do fungo, apontando possibilidade de economias financeiras no preparo destas. Por fim, os resultados da Etapa 3 mostraram que o Reator B apresentou maiores taxas de conversão de matéria orgânica (82,74% para STV e 82,21% para DQO), produção média de biogás (16,40 L), produção específica de biogás (400,70 L kgSTV-1), produção média de metano (10,17 L d-1), PEM (235,73 L kgSTV-1) e percentual médio de metano (58,83%) quando comparados ao Reator A. Conclui-se que a aplicação de pré-tratamento aos resíduos lignocelulósicos, em especial o biológico com Pleurotus ostreatus, é uma alternativa para otimizar a produção de biogás e metano em processos anaeróbios, uma vez que promoveu resultados satisfatórios quando utilizado como co-substrato com RA. A biomassa fúngica inativa pode ter sido utilizada como matéria orgânica pelos microrganismos e influenciado nas maiores conversões orgânicas.
dc.description.abstractother1The growing search for renewable energy sources makes anaerobic co-digestion - ACoD of food waste - FW and lignocellulosic biomass, such as urban pruning waste – UPW (grass, branches and leaves), an alternative for the production of biogas. However, the complex structure of this biomass makes pre-treatment one of the most relevant steps in the process, either to increase the availability of the components of interest and/or to facilitate the action of the enzymes. In this sense, the present study aims to evaluate the influence of chemical, physical and biological pre-treatments on UPW, aiming at optimizing its ACoD with FW in terms of methane production. For this, the work was divided into three stages. Step 1 refers to the application of different pre-treatments to the UPW (chemical with H2SO4, a chemical with NaOH, physical by auto-hydrolysis, and biological with the fungus Pleurotus ostreatus) varying the residence times, temperature, and concentration, aiming at the conversion of the lignocellulosic structure of the material. Based on these results, Step 2 evaluated, based on the BMP Test, the specific methane production – SMP of ACoD from FW and pre-treated UPW and mono-digestion of pre-treated UPW, varying the percentage of added UPW. Since the biological pre-treatment presented more satisfactory results given the objectives of the work, in Step 2A adverse conditions for the growth of Pleurotus ostreatus were evaluated, varying the sterilization factors, wetting solution, and nutrients, to infer different possibilities of fungus development. Step 3 compared and qualitatively evaluated the biogas and effluent generated in two reactors on a pilot scale (Reactor A: FW ACoD + crude UPW and Reactor B: FW ACoD + biologically pre-treated UPW). The results of Step 1 indicated that the acid (3%, 125 ºC and 22 minutes), alkaline (5.5%, 104 ºC and 15 hours), autohydrolysis (121 ºC, 1 atm and 15 minutes) and biological pretreatments (28 ºC and 14 days) were the most favorable conditions for sugar conversion, lignin removal, increase in cellulose contents and changes in the RPU structure. Step 2 indicated that, although RA ACoD + 30% alkaline pre-treated RPU promoted greater removals of total volatile solids - STV (55.37%) and chemical oxygen demand - COD (58.53%) and the RA ACoD + 30% acid pre-treated RPU showed higher volumes of accumulated biogas (981.01 NmL) and specific biogas production (298.59 NmL gSTV-1), there was no significant difference between the ACoD conditions of RA + 30% alkaline pre-treated RPU, RA + 30% acid pre-treated RPU and RA + 30% biologically pre-treated RPU with regard to SMP. Therefore, biological pre-treatment was selected to continue the study. The results of Step 2A indicated that both the wetting solution composed only of water, and the one with ideal conditions, promoted lignin removal and fungus growth, pointing to the possibility of financial savings in their preparation. Finally, the results of Step 3 showed that Reactor B had higher organic matter conversion rates (82.74% for STV and 82.21% for COD), average biogas production (16.40 L), specific production of biogas (400.70 L kgSTV-1), average methane production (10.17 L d-1), SMP (235.73 L kgSTV-1) and average methane percentage (58.83%) when compared to Reactor A. It is concluded that the application of pre-treatment to lignocellulosic residues, in particular the biological one with Pleurotus ostreatus, is an alternative to optimize the production of biogas and methane in anaerobic processes, since it promoted satisfactory results when used as a co -substrate with RA. The inactive fungal biomass may have been used as organic matter by the microorganisms and influenced the higher organic conversions.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/18442
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCTU - Departamento de Construção Civil
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil
dc.subjectResíduos Orgânicos
dc.subjectPré-tratamento biológico
dc.subjectBiometanização
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.keywordsOrganic Waste
dc.subject.keywordsBiological pre-treatment
dc.subject.keywordsBiomethanation
dc.titleInfluência dos pré-tratamentos de resíduos de podas urbanas no desempenho da codigestão anaeróbia de resíduos alimentares
dc.title.alternativeInfluence of pre-treatment of urban pruning waste on the performance of anaerobic co-digestion of food waste
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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