Valorização energética dos resíduos do processamento da mandioca em sistema anaeróbio operado em duas fases com imobilização celular em material lignocelulósico

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dc.contributor.advisorLopes, Deize Dias
dc.contributor.authorBolonhesi, Isabela Bruna de Tavares Machado
dc.contributor.bancaRodrigues, José Alberto Domingues
dc.contributor.bancaFuess, Lucas Tadeu
dc.contributor.bancaZaiat, Marcelo
dc.contributor.bancaGomes, Simone Damasceno
dc.contributor.coadvisorAndreani, Cristiane Lurdes
dc.coverage.extent180 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-10-03T18:12:45Z
dc.date.available2024-10-03T18:12:45Z
dc.date.issued2022-04-11
dc.description.abstractEsse estudo teve como objetivo avaliar a digestão anaeróbia em duas fases da água residuária de fecularia de mandioca (ARFM) em reatores anaeróbios operados em bateladas sequenciais com biomassa imobilizada (AnSBBR) na rama de mandioca. Para favorecer a adesão dos microrganismos, a rama de mandioca foi submetida à hidrólise ácida e a vapor. O pré-tratamento por hidrólise ácida foi selecionado para a preparação da rama na imobilização celular dos reatores acidogênico e metanogênico. No reator acidogênico, alimentado com a ARFM (concentração afluente fixa em 5gCarb L-1), foram avaliadas duas condições operacionais, nas quais foram contemplados o aumento da carga orgânica volumétrica (COV, de 11 para 15 gCarb L-1d-1) atrelado à diminuição do tempo de ciclo (TC, de 4 para 3 h). O reator metanogênico foi alimentado com o efluente do reator acidogênico (concentração afluente fixa em 5gDQO L-1). Seu desempenho foi avaliado em função do aumento da COV (4; 8; 12; 16 gDQO L-1d-1) com a redução do TC (24; 12; 8 e 6 h). Para otimizar a produção de metano, adicionalmente, foram realizados testes em bateladas considerando a adição de diferentes concentrações de biocarvão (0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 e 6,0 g L-1). A dosagem que apresentou o melhor resultado, em termos de produção de metano, foi posteriormente adicionada ao reator metanogênico. Nessa etapa, o comportamento do AnSBBR metanogênico foi novamente avaliado quanto ao aumento da COV (8; 12; 16 gDQO L-1d-1) e a diminuição do TC (12; 8 e 6 h). Verificou-se que o tratamento das ramas de mandioca via hidrólise ácida apresentou as melhores eficiências de conversão da estrutura lignocelulósica em celulose (50%) e conversão de carboidratos (97%), sendo utilizada na imobilização celular dos reatores acidogênico e metanogênico. O reator acidogênico apresentou produção volumétrica de hidrogênio e rendimento máximos de 1,48 LH2 L- 1d-1 e 1,98 molH2 kg- 1Carb (COV 15 gCarb L-1d-1 e TC de 3 h), com predominância de microrganismos produtores de hidrogênio, como os gêneros Clostridium e Hydrogenispora. No reator metanogênico operado sem adição de biocarvão, a maior produção volumétrica (3,74±0,72 LCH4 L-1d-1) e rendimento de metano (0,270±0,05 LCH4 gDQO-1) foram obtidos para a maior COV (16 g L-1d-1) e menor TC (6 h) testados. No entanto, o aumento da COV de 4 para 16 gDQO L - 1d-1 e a diminuição do TC de 24 para 6 h reduziram a eficiência de remoção de matéria orgânica de 99% para 67%. Entre os testes com diferentes dosagens de biocarvão, a adição de 2 g L-1 apresentou o melhor resultado em termos de produção de metano (1,33 LCH4 L- 1d- 1) e eficiência de remoção de matéria orgânica (96%), sendo essa a dosagem posteriormente aplicada ao reator metanogênico. Nos ensaios conduzidos com biocarvão no AnSBBR metanogênico, houve aumento médio de 26% na produção volumétrica (4,06 LCH4 L- 1d- 1) e no rendimento de metano (0,301 LCH4 gDQO-1). Além disso, os resultados indicam que a adição desse material ao reator metanogênico pode enriquecer a digestão anaeróbia com microrganismos eletroativos, como os gêneros Anaerolinea, Syntrophomonas, Pseudomonas e Sedimentibacter em conjunto com as arqueas Methanosaeta e Methanosarcina, possibilitando eficiências de remoção de matéria orgânica elevadas (85%) em todas as condições operacionais testadas. Nas melhores condições operacionais avaliadas, o sistema em duas fases proveu produção de hidrogênio e metano em um tempo total de operação de 9 h (3h para o reator acidogênico e 6 h para o reator metanogênico). Dessa forma, constatou-se que as estratégias de separação da digestão anaeróbia em duas fases, imobilização celular na rama de mandioca e sua utilização como cosubstrato, bem como a adição de biocarvão ao reator metanogênico, proporcionaram o aproveitamento energético dos resíduos de processamento da mandioca, com produção de energia de até 159,12 kJ L-1d-1.
dc.description.abstractother1This study aimed to evaluate the two-phase cassava starch wastewater anaerobic digestion in an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) using cassava stem (CS) as support material. To favor the microorganism adhesion to the support material, the cassava stem was subjected to acid and steam hydrolysis. The best pre-treatment was used in the material preparation to the cell immobilization of acidogenic and methanogenic reactors. The acidogenic reactor was fed with cassava starch wastewater (influent concentration fixed at 5 gCarb L-1). Its performance was evaluated according to the increase in the organic load rate (OLR) from 11 to 15gCarb L-1d-1 and to the cycle time (CT) reduction (4 and 3 h). The methanogenic reactor was fed with the effluent from the acidogenic reactor (influent concentration fixed at 5 gCOD L-1). The reactor performance was evaluated as OLR function (4; 8; 12; 16 gCOD L-1d-1) and CT reduction (24; 12; 8 e 6 h). To optimize methane production, tests were carried out in batches considering the different concentrations of biochar addition (0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 e 6,0 g L-1). The best dosage, in terms of methane production, was later added to the methanogenic reactor. At this stage, the system behavior was evaluated regarding the increase in OLR (8; 12; 16 gCOD L-1d-1) and CT (12; 8; 6 h). The best conversion efficiencies were verified in the CS subjected to acid hydrolysis, considering cellulose (50%) and carbohydrate conversion (97%), being used in the cellular immobilization of acidogenic and methanogenic reactors. The acidogenic reactor showed hydrogen volumetric production until 1.4 LH2 L-1d-1 and hydrogen yield until 1.98 molH2 kg-1Carb (OLR 15 gCarb L-1d-1 and CT 3 h), with a predominance of hydrogen-producing microorganisms such as Clostridium and Hydrogenispora. In the methanogenic reactor, volumetric methane production until 3.74±0.72 LCH4 L-1d-1 and methane yield until 0.270±0.05 LCH4 gCOD-1 were verified for the highest OLR (16 gCOD L-1d-1) and lowest cycle time (6 h) tested. The increase in OLR reduced the organic matter removal efficiency from 99% to 65%, due to the increased of organic matter and reduced cycle time. Among tests with different dosages of biochar, the 2 gbiochar L-1 addition showed the best result in terms of methane production (1.33 LCH4 L-1d-1) and organic matter removal efficiency (96%), which is the dosage subsequently applied to the methanogenic reactor. In assays conducted with biochar in the methanogenic AnSBBR, there was a 26% increase in volumetric production (4.06 LCH4 L-1d-1) and methane yield (0.301 LCH4 gCOD-1). In addition, the results suggest that the biochar addition to the methanogenic reactor can enrich the anaerobic digestion with electroactive microorganisms, such as Anaerolinea, Syntrophomonas, Pseudomonas and Sedimentibacter genera with the archaea Methanosaeta and Methanosarcina, enabling high organic matter removal efficiencies (85%). The two-phase system generated an energy production (hydrogen and methane) to the best operational conditions evaluated, with a total operating time of 9 h (3 h for the acidogenic reactor and 6 h for the methanogenic reactor). The anaerobic digestion separation in two phases, the cell immobilization in the cassava branch and its use as a cosubstrate and the addition of biochar to the methanogenic reactor provided the energetic use of cassava processing residues, with energy production rate of 159.12 kJ L-1d-1.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/17887
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.subjectHidrólise
dc.subjectRama de mandioca
dc.subjectResíduos agroindustriais
dc.subjectFermentação
dc.subjectCodigestão anaeróbia
dc.subjectBiocarvão
dc.subjectÁguas residuais - Fécula de mandioca
dc.subjectResíduos orgânicos
dc.subjectDigestão anaeróbica
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Civil
dc.subject.keywordsHydrolysis
dc.subject.keywordsCassava stem
dc.subject.keywordsAgroindustrial residues
dc.subject.keywordsFermentation
dc.subject.keywordsAnaerobic codigestion
dc.subject.keywordsBiochar
dc.subject.keywordsWastewater - Cassava starch
dc.subject.keywordsOrganic waste
dc.subject.keywordsAnaerobic digestion
dc.subject.keywordsAgro-industrial waste
dc.titleValorização energética dos resíduos do processamento da mandioca em sistema anaeróbio operado em duas fases com imobilização celular em material lignocelulósico
dc.title.alternativeCassava processing residues energy recovery in a two-phase anaerobic system with cell immobilization in lignocellulosic material
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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