Publicação

New perspectives for methane production from long-chain fatty acids

Detalhes bibliográficos
Resumo:	A 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.
Autores principais:	Cavaleiro, A. J.
Ano:	2010
País:	Portugal
Tipo de documento:	tese de doutoramento
Tipo de acesso:	acesso restrito
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	inglês
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	A 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.