Biogas production integrated to the concept of biorefinery for lignocellulosic biomass: operational aspects and use of nanoparticles

Autor(es)

Maria Paula Cardeal Volpi

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia de Alimentos
• Data de defesa: 2022-05-24

Membros da banca

Bruna de Souza Moraes; Renata Piacentini Rodriguez; Lucas Tadeu Fuess; Ariovaldo José da Silva

• Orientador: Flavia Vischi Winck; Bruna de Souza Moraes

Resumo

A produção de biogás ocorre por meio da digestão anaeróbia (DA), que permite a recuperação energética da matéria orgânica através da produção de metano (CH4). Substratos da atividade sucroalcooleira são considerados como potenciais facilitadores do desenvolvimento de biorrefinarias, tornando o sistema mais resiliente e versátil. Nesse contexto, a co-digestão de substratos de diferentes biodegradabilidades (mais degradáveis com menos degradáveis) surge como uma alternativa, sendo capaz de amenizar os efeitos inibitórios desses resíduos à DA, além de poder melhorar o processo de monodigestão de vinhaça que é "convencionalmente" realizado nas usinas de etanol. Portanto, o objetivo deste trabalho foi co-digerir resíduos da produção de etanol 1G (vinhaça e torta de filtro) e resíduos da produção de etanol 2G (licor de desacetilação) para obter biogás e propor a integração da biorrefinaria 1G2G. A etapa 1 do projeto consistiu em realizar a análise do Potencial Bioquímico de Metano (PBM) de cada resíduo, na etapa 2 foi realizada a operação em reator contínuo para a co-digestão de três resíduos e a etapa 3 foi uma otimização da produção de biogás com adição de nanopartículas de Fe3O4 (NP) na operação do reator de co-digestão (o mesmo operado na etapa 2). Para as etapas 2 e 3 foi feita a identificação do consórcio microbiano juntamente com proteínas extracelulares (análise proteômica), para traçar a rota metabólica em ambas as operações do reator. Os resultados de PBM mostraram que a co-digestão da vinhaça 1G com a torta de filtro e o licor de desacetilação melhorou o rendimento de CH4 de substratos isolados, atingindo 605 NmLCH4 gSV-1. A vinhaça e o licor de desacetilação como únicos co-substratos aumentaram o PBM em 38% em relação a vinhaça, indicando sinergismo nutricional. Na operação contínua do reator de co-digestão dos três resíduos o maior rendimento de CH4 foi de 230 NmLCH4 gSV-1 com eficiência média de remoção de matéria orgânica de 83% ± 13 alcançados na Carga Orgânica Volumétrica (COV) de 4,16 gSV L-1dia-1. Além disso, o uso de Fe3O4 NP mostrou-se eficiente no processo de otimização da produção de CH4, uma vez que o valor máximo foi 2,8 ± 0,1 NLCH4 gSV-1 sendo 90% superior ao obtido na co-digestão sem a presença de NP. A principal Archaea metanogênica encontrada em ambos os reatores (estágio 2 e estágio 3) foi Methanoculleus, indicando que a possível rota metabólica predominante foi a oxidação do acetato sintrófico (SAO) acoplada à metanogênese hidrogenotrófica. Por meio desses resultados, foi possível realizar uma análise energética e obter a capacidade instalada para uma biorrefinaria integrada de etanol 1G2G de mais de 50 MW (considerando somente a capacidade energética do biogás) durante o período de safra. Convertendo o biogás em biometano foi provido a necessidade de biocombustível da frota da maior usina de etanol do Brasil e ainda obtido um excedente que pode ser injetado na rede de gás e gerar eletricidade. De maneira geral, os resultados mostraram que a co-digestão dos resíduos propostos é uma alternativa viável para a produção de biogás e integração da biorrefinaria de etanol 1G2G (AU)

• Processo FAPESP: 18/09893-1 - Produção de biogás integrada ao conceito de biorrefinaria para biomassa lignocelulósica: aspectos operacionais e uso de nanopartículas
• Beneficiário: Maria Paula Cardeal Volpi
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado