produção de biohidrogénio a partir de diferentes fontes ... · enquadramento teórico !...
TRANSCRIPT
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).
4
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.
6
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 !
Discussão de Resultados !
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).
Discussão de Resultados !
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
✔
Discussão de Resultados !
11
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)!
Discussão de Resultados !
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 ( )
Discussão de Resultados !
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.
Discussão de Resultados !
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)
Velocidade de produção de H2
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 ( )
Discussão de Resultados !
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.
Discussão de Resultados !
16
Substrato: Biomassa Microalgal!
Velocidade de produção de H2
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 ( )
Discussão de Resultados !
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.
Discussão de Resultados !
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
Discussão de Resultados !
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.
(Reactores Mariotte)!
Discussão de Resultados !
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’.
(Reactores Mariotte)!
Discussão de Resultados !
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.
Velocidade de produção de H2
1,64 mL/h
Velocidade de produção de H2
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 !
23
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!