Produção de biogás integrada ao conceito de biorrefinaria para biomassa lignocelulósica : aspectos operacionais e uso de nanopartículas

Autor: Volpi, Maria Paula Cardeal, 1994
Přispěvatelé: Moraes, Bruna de Souza, 1983, Winck, Flavia Vischi, Rodriguez, Renata Piacentini, Fuess, Lucas Tadeu, Silva, Ariovaldo José da, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos, Programa de Pós-Graduação em Bioenergia, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Bruna de Souza Moraes, Flavia Vischi Winck Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos 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 Abstract: Biogas production occurs through anaerobic digestion (AD), which allows the energetic recovery of the organic source through the use of methane (CH4). Substrates from the sugar-alcohol activity are considered as potential facilitators of the development of biorefineries, making the system more resilient and versatile. In this context, the co-digestion of substrates of different biodegradability (more degradable with less degradable) appears as an interesting alternative, being able to soften the inhibitory effects of those residues to AD, in addition to being able to improve the process of monodigestion of vinasse that is "conventionally " carried out in ethanol plants. Therefore, the objective of this work was to co-digest residues from the 1G ethanol-producing (vinasse and filter cake) and residues from the 2G ethanol-producing (deacetylation liquor) to obtain biogas and propose the integration of the 1G2G biorefinery. Stage 1 of the project consisted of performing the Biochemical Methane Potential (BMP) analysis of each residue, stage 2 was the operation in a continuous reactor for the co-digestion of three residues, and stage 3 was an optimization of biogas production with adding Fe3O4 nanoparticles (NP) in the co-digestion reactor operation (the same was operated in stage 2). For stages 2 and 3 was done identification of the microbial consortium together with extracellular proteins (proteome analysis), to trace the metabolic route in both reactor operations. BMP results showed that co-digestion of vinasse 1G with filter cake and deacetylation liquor improved the CH4 yield of isolated substrates, reaching 605 NmLCH4 gVS-1. Vinasse and deacetylation liquor as the only co-substrates increased PBM by 38% over vinasse, indicating nutritional synergism. In the continuous operation of the co-digestion reactor of the three residues, the highest CH4 yield was 230 NmLCH4 gSV-1 with average organic matter removal efficiency of 83% + 13 achieved at Organic Load Rate (OLR) of 4.16 gVS L-1day-1. Furthermore, the use of Fe3O4 NP proved to be efficient in the process of optimizing the production of CH4, since the maximum value was were 2.8 ± 0.1 NLCH4 gVS-1 being 90% higher than that obtained in the co-digestion without the presence of NP. The main methanogenic Archaea found in both reactors (stage 2 and stage 3) was Methanoculleus, indicating that the predominant metabolic route possible was syntrophic acetate oxidation (SAO) coupled with hydrogenotrophic methanogenesis. Through these results, was possible to perform an energy analysis and obtained the installed capacity for an integrated 1G2G ethanol biorefinery of more than 50 MW (considering only the energy capacity of biogas) during the season period. By converting biogas into biomethane, the need for biofuel in the fleet of the largest ethanol plant in Brazil was provided and still obtained a surplus that can be injected into the gas grid and generate electricity. In general, the results obtained showed that the co-digestion of the proposed residues is a viable alternative for the production of biogas and integration of the 1G2G ethanol biorefinery Doutorado Bioenergia Doutora em Ciências FAPESP 2018/09893-1 CAPES 001 CNPQ
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: