Produção de biohidrogénio a partir de diferentes fontes ... · Enquadramento Teórico !...

Produção de biohidrogénio a partir de diferentes fontes carbono, por

fermentação anaeróbia

  É necessária a produção de Energias Alterna-vas de Fontes Renováveis.

  O hidrogénio é uma fonte de energia renovável de elevado conteúdo energé=co (142 kJ/g ).

  O hidrogénio não está disponível na natureza para ser u=lizado como fonte de energia.

  Processos Jsico-‐químicos para a obtenção de hidrogénio com um balanço energé=co elevado em relação aos processos biológicos.

  O aumento exponencial do consumo de combusPveis fósseis para a sa=sfação das necessidades energé=cas mundiais .

  Emissões de gases de efeito de estufa.

  Distribuição geográfica dos combusPveis de origem fóssil com grandes assimetrias.

  Vola=lidade dos preços da energia.

Enquadramento Teórico !

2

Enquadramento Teórico !

Processos de produção de bioH2

Bio-‐fotólise por algas Fermentação

anaeróbia (dark-‐ fermenta,on)

Sistema híbrido (ex: bactérias

fermenta-vas e foto-‐sinté-cas)

3

Objectivos !

  O principal objec=vo deste trabalho foi estudar e comparar a u=lização de diferentes fontes de carbono, con=das em resíduos ou subprodutos industriais, como substrato num processo fermenta=vo anaeróbio de produção de H2 (bioH2). Nomeadamente:

 Subprodutos da produção de biodiesel (glicerol em bruto)

 Hidrolisados de pasta de papel (hidrólise enzimá=ca dos resíduos lenhocelolósicos)

 Biomassa microalgal (Scenedesmus oblíquus).

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Materiais e métodos !

  Microrganismo: Es=rpe da bactéria Enterobacter aerogenes (ATCC 13048 Sputum).

  Substratos: Subprodutos da produção de biodiesel (glicerol: 86% (m/m); hidrolisado ob=do a par=r de resíduos da produção da pasta do papel (glucose: 33,8 g/L, xilose: 6,8 g/L e celobiose: 5,5 g/L) e biomassa microalgal (microalgas Scenedesmus oblíquus).

Materiais!

5

Métodos analíticos!

Materiais e métodos !

  Determinação do peso seco da biomassa;

  Determinação dos teores em H2 e CO2 por GC;

  Determinação do conteúdo em ácidos gordos voláteis (AGV’s), etanol e açúcares na fase líquida por HPLC.

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Montagem experimental !

Reactores Mario8e (Tempo de equilíbrio) Reactores encapsulados (Ciné=ca)

7

  VT. reactor : 606 mL

  T=30°C   Tipo de agitação: magné-ca

  Volume da fase líquida: 101 mL

  Leitura da composição da fase gasosa: GC

  VT. reactor : 159,5 mL

  T=30°C   Tipo de agitação: orbital

  Volume da fase líquida: 26,58 mL

  Leitura da composição da fase gasosa: GC

Discussão de Resultados !

8

[Biomassa] [gBiomasa seca /LSuspensão]

η [mL H2/g glicerolcons]

0,01 352,0

0,10 378,0

0,50 397,0

  Adição de uma solução concentrada de bactérias.

  Adição directa de um volume de pré-‐inoculo correspondente a 1 e a 10% (v/v) do volume do meio de fermentação.

Metodologia de inoculação escolhida para ensaios futuros, tendo em conta o menor número de passos envolvidos no procedimento de inoculação e o menor gasto energé=co associado.

•  Inoculação do meio de fermentação !


9

•  Recolha da fase gasosa dos reactores encapsulados!

Recolha no topo do headspace do reactor

Recolha no centro do headspace do reactor

H2

(mL) CO2 (mL)

H2/CO2 H2

(mL) CO2 (mL)

H2/CO2

Pressurizado 14,20 2,90 4,90 52,20 35,20 1,50

Despressurizado 54,00 30,70 1,80 53,40 32,00 1,70

Recolha da fase gasosa no centro da headspace (sistema pressurizado e despressurizado).


10

Condições operacionais testadas

Condições operacionais óp-mas

Tipo de inoculação do meio de fermentação

[gBiomasa seca /LSuspensão]

0,01

0,10 ✔

0,50

Tipo de recolha de fase gasosa de reactores

encapsulados, para analise

Pressurizado

Despressurizado ✔

No topo do headspace do reactor

No centro do headspace do reactor

✔


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Substratos H2 (mL)

CO2 (mL)

H2/CO2

Tempo de equilíbrio do processo

(h)

Subprodutos da produção de biodiesel (glicerol bruto)

367,62 207,20 1,80 8

Hidrolisado de pasta de papel 122,72 90,99 1,40 6

Microalgas 23,22 17,03 1,40 8

Tempo de equilíbrio do processo muito semelhante para os três substratos estudados. Volumes de produção de fase gasosa bastante diferentes.

(Reactores Mariotte)!


12

Substrato: Resíduos de produção de biodiesel (glicerol bruto) !

0

2

4

6

8

10

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8

H2 /C

O2

Volu

me

H2 (

mL)

Tempo (h)

Velocidade de produção de H2

12,5 mL/h

A maior taxa de produção de H2, coincide com a fase exponencial da curva de crescimento da E. aerogenes. Razão volumétrica H2/CO2 máxima : 7,8 às 3h de processo. Rendimento máximo: 332 mL H2/g glicerolcons às 8h de processo.

.

(Reactores encapsulados)!

H2 () H2/CO2 ( )


Perfil de produção de AGV’s, etanol e H2 e consumo de glicerol !

13

Ácido Lá=co (), Ácido Acé=co (), Ácido Propiónico (), Etanol (), H2 () e glicerol ( )

0

10

20

30

40

50

60

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Volume H

2 (mL)

[Com

post

o] F

ase

Líq.

(g/L

)

Tempo (h)

Maior concentração de etanol ao longo do processo, face às concentrações registadas nos AGV’s. Parece haver uma relação bastante significa=va entre a taxa de consumo de glicerol e a taxa de produção de H2.


14

Substrato: Hidrolisado de pasta de papel!

0

2

4

6

8

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6 7 8

H2 /C

O2

Volu

me

H2 (

mL)

Tempo (h)


7,3 mL/h

Intervalo de tempo 1 -‐ 3h: Velocidade de produção de H2 (5,3 mL/h), próxima da registada para os subprodutos de produção de biodiesel (6,5 mL/h). Razão volumétrica H2/CO2 máxima : 6,5 às 3h de processo. Rendimento máximo: 127,70 mL H2/g Açúcarescons às 8h de processo.

H2 () H2/CO2 ( )


Perfil de produção de AGV’s, Etanol e H2 e consumo de Glucose, Xilose e Celobiose !

15

Ácido Lá=co (), Ácido Acé=co (), Etanol (), H2 (), Glucose (), Xilose () e Celobiose ( )

0

5

10

15

20

25

30

35

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Volume H

2 (mL)

[Com

post

o] F

ase

Líq.

(g/L

)

Tempo (h)

Ao longo de todo o processo a concentração de AGV’s foi superior à concentração de etanol. À excepção da Glucose os restantes açúcares man=veram a sua concentração ao longo do processo.


16

Substrato: Biomassa Microalgal!


1,22 mL/h

Ao longo do processo, a razão volumétrica H2/CO2, aumenta gradualmente, até um valor de 1,5. Rendimento máximo: 17,15 mL H2/g algasinicia às 8h de processo. Para a produção de 1 litro de H2 é necessário 56,8 g de biomassa microalgal.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

H2 /C

O2

Volu

me

H2 (

mL)

Tempo (h)

H2 () H2/CO2 ( )


Perfil de produção de AGV’s, Etanol e H2 !

17

Ácido Lá=co (), Ácido Fórmico (), Ácido Acé=co (), Ácido Propiónico (), Etanol () e H2 ()

0

1

2

3

4

5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 1 2 3 4 5 6

Volume H

2 (mL)

[Com

post

o]Fa

se L

íq. (

g/L)

Tempo (h)

De todos os ácidos produzidos o fórmico foi consumido a par=r da 1h até ao final do processo, contribuindo assim para o rendimento final de produção de H2.


18

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Volu

me

H2 (m

L)

Tempo (h)

A u=lização de biomassa microalgal, como substrato, conduziu aos piores resultados, evidenciando uma tenta=va de op=mização de parâmetros Jsico-‐químicos e procedimentos do processo

Subprodutos da produção de biodiesel

Hidrolisado de pasta de papel

Biomassa microalgal


19

Efeito do tempo de autoclavagem do meio de fermentação !

Tempo de autoclavagem

(min.)

η [mL H2/gBiomassa microalgal]

H2/CO2

15 22,0 1,4

30 17,6 1,3

O aumento do tempo de exposição às condições de autoclavagem (T=121°C e P=2 bar), do meio de fermentação contendo a biomassa microalgal, conduziu a uma diminuição do rendimento do processo em cerca de 20%.

Sugere libertação de compostos tóxicos, com consequências sobre o processo de conversão biológica.



20

Efeito da presença de microalgas no pré-inóculo !

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

5

10

15

20

25

15'/15' 15'/30' 30'/15' 30'/30'

H2 /C

O2

mL

H2/g

Bio

mas

sa m

icro

alga

l

Tempo de autoclavagem Meio crescimento/ Tempo de autoclavagem Meio fermentação

Presença ( ) e ausência ( ) de microalgas no pré-‐inoculo e razão volumétrica ( )

A presença de microalgas na preparação do pré-‐inoculo conduziu a um ligeiro aumento dos rendimentos do processo, para tempos de autoclavagem do meio de fermentação superiores a 15’.



21

Estudo do efeito de moagem nas microalgas !

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 1 2 3 4 5 6 7

0 2 4 6 8

H2 /C

O2

Volu

me

H2 (

mL)

Tempo (h)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7 8

H2 /C

O2

Volu

me

H2 (

mL)

Tempo (h)

As microalgas sem moagem conduziram a valores mais elevados de velocidade de produção de H2, o que sugere mais uma vez a presença de compostos tóxicos devido à moagem.


1,64 mL/h


2,32 mL/h

Com moagem Sem moagem

H2 () H2/CO2 ( )

(Reactores Encapsulados)!

Conclusões !

  A es=rpe da bactéria Enterobacter aerogenes u=lizada neste trabalho mostrou-‐se ser eficiente na conversão fermenta=va dos três substratos estudados, para produzir H2 (bioH2);

  Um tempo de processo de aproximadamente 8 h foi suficiente para o sistema a=ngir o equilíbrio, para todos os substratos estudados;

  Os valores mais elevados de rendimento volumétrico do processo e de velocidade de produção de H2 foram observados para o glicerol bruto;

  Os valores mais baixos de rendimento volumétrico do processo e de velocidade de produção de H2 foram observados para a biomassa microalgal;

22

  Numa tenta=va de op=mizar o sistema com as microalgas como substrato, o aumento do tempo de autoclavagem do meio de fermentação de 15 para 30 minutos, contendo as microalgas, conduziu a um decréscimo do rendimento do processo;

  A presença de 1 g/L de microalgas no crescimento das bactérias para inoculação (pré-‐inoculo) conduziu a valores de rendimento de produção de H2 ligeiramente superiores;

  O pré-‐tratamento da biomassa microalgal a u=lizar como substrato mostrou não ser eficiente em termos de volume de H2 produzido e de purificação da fase gasosa (valor da razão H2/CO2).

Conclusões !

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Proposta de trabalho futuro !

  Estudo de op=mização do design do reactor para uma melhor relação volume de H2 produzido/separação de gases;

  Estudo de possível aplicação deste processo em regime con=nuo;

  Avaliação da u=lização de outros resíduos agro-‐industriais, como substratos para a produção de bioH2.

24

Obrigado pela atenção!

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