PRODUÇÃO DE BIOHIDROGÊNIO POR SISTEMA HÍBRIDO DE PROCESSO FERMENTATIVO E FOTOFERMENTAÇÃO

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1 PRODUÇÃO DE BIOHIDROGÊNIO POR SISTEMA HÍBRIDO DE PROCESSO FERMENTATIVO E FOTOFERMENTAÇÃO BIOHYDROGEN PRODUCTION BY HYBRID SYSTEM OF FERMENTATION AND PHOTOFERMENTATION Felipe Santos Moreira (1) Marília da Silva Rodrigues (2) Isadora Torres de Souza (3) Fabiana Regina Xavier Batista (4) Juliana de Souza Ferreira (5) Vicelma Luiz Cardoso (6) Resumo A produção de biohidrogênio pode se dar biologicamente por fermentação a partir de efluentes e resíduos agroindustriais, cuja utilização minimiza seu acúmulo nos processos industriais, se tornando uma alternativa promissora devido aos baixos impactos ambientais. No presente trabalho, o objetivo foi estudar a produção de biohidrogênio em um sistema híbrido, constituído pela combinação do processo fermentativo seguido pela fotofermentação. O processo fermentativo foi realizado em condições anaeróbias, utilizando um consórcio microbiano e a fotofermentação empregou-se sistemas de co-cultura de bactérias púrpuras não sulfurosas. O processo fermentativo apresentou uma produtividade máxima de 132,06 mmol H2/L.dia e a fotofermentação 147,85 mmol H2/L.dia, obtendo uma produtividade total do processo de 279,91 mmol de H2/L.dia. Palavras-chave: Fermentação escura. Fotofermentação. Biohidrôgenio. Abstract Biohydrogen production can occur biologically by fermentation from agroindustrial effluents and waste, whose use minimizes its accumulation in industrial processes, becoming a promising alternative for low environmental impacts. In the present work, the objective was to study the production of biohydrogen in a hybrid system, constituted by the combination of the fermentative process followed by the photofermentation. The fermentation process was performed under anaerobic conditions, using a microbial consortium and an activity 1 Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Eng. químico. Endereço eletrônico: felipemoreiraufvjm@gmail.com. 2 Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: mariliasr@gmail.com. 3 Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: iisadora.torres@gmail.com. 4 Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: frxbatista@ufu.br. 5 Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: julianasf@ufu.br. 6 Doutora em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: vicelma@ufu.br.

2 company was used co-culture systems of non-sulfurous purple bacteria. The fermentation process presented a maximum productivity of mmol H2/L.day and the photofermentation mmol H2/L.dia, obtaining a total production of the process of mmol of H2/L.day. Keywords: Dark fermentation. Photofermentation. Biohydrogen. 1 Introdução A produção biológica de hidrogênio por microrganismos ocorre por meio de duas vias principais: fotossíntese e fermentação. Existem também os sistemas híbridos, que consistem na combinação de mais de uma rota biológica, sendo que muitos estudos focam no sistema híbrido de processos fotossintéticos e fermentativos com o intuito de aumentar os rendimentos totais, em relação à produção de hidrogênio (DAS e VERZIROGLU, 2001; NANDI e SENGUPTA, 1998). A fermentação escura é obtida por bactérias fermentativas em que o hidrogênio é formado pela ação de hidrogenases como meio de eliminar os elétrons gerados durante a degradação de carboidratos. Há uma ampla variedade de compostos orgânicos, resíduos líquidos e materiais celulósicos que pode ser utilizada como substrato (DAS e VERZIROGLU, 2001; GUO et al., 2014). No processo de produção de H2 pela fotofermentação destaca-se o uso de ácidos orgânicos como fonte de carbono, sendo assim, uma alternativa para aumentar o rendimento de produção de H2 é acoplar a fotofermentação como segunda etapa, ao processo de fermentação escura. (ARGUN e KARGI, 2011). O processo híbrido é um processo que combina fermentação escura e fotofermentação, sendo a associação de bactérias uma opção usada para produção de hidrogênio a partir do consumo de carboidratos. A fermentação anaeróbica de resíduos orgânicos produz ácidos orgânicos de baixo peso molecular, que são consumidos pelas bactérias fotossintéticas para a produção de hidrogênio em condição de anaerobiose, com a presença de energia luminosa. Portanto, os sistemas híbridos são constituídos de um sistema de duas fases, um biorreator anaeróbico que gera um efluente para abastecer um fotobiorreator com os subprodutos da digestão anaeróbica (LAZARO, 2009). Diante deste contexto, esse trabalho teve como objetivo avaliar a produção de biohidrogênio em um sistema híbrido, constituído pela combinação do processo fermentativo escuro seguido pela fotofermentação, com o intuito de promover um maior rendimento no final do processo.

3 2 Material e Métodos A cultura mista utilizada foi proveniente do laboratório Núcleo de Processos Biotecnológicos da Faculdade de Engenharia Química da UFU e consistiu em um consórcio microbiano, o qual foi adaptado em um meio sintético com a seguinte composição: 3 g/l de KH2PO4, 7g/L de K2HPO4, 1 g/l de MgSO4, 3g/L de extrato de levedura, 1 g/l de extrato de carne, 1 g/l de (NH4)2SO4 e 20 g/l de lactose oriunda do permeado do soro de leite em pó. Nitrogênio foi borbulhado por 3 min no inóculo com o objetivo de manter o ambiente anaeróbio. Através da técnica de isolamento foi possível identificar três gêneros presentes: Clostridium sp., Lactobacillus sp. e Enterobacter sp. (ROMÃO et al., 2014). Na etapa de fotofermentação, foi utilizado as bactérias púrpuras não-sulfurosas (PNS), Rhodopseudomonas palustris e Rhodobacter capsulatus, (DSMZ - German Collection of Microorganisms and Cell Culture) cultivadas em meio basal RCV (WEAVER et al., 1975), ph de 6,8, em meio anaeróbio, a 30±1ºC, sob iluminação de 2200 lux. Definidas as condições ótimas para produção de biohidrogênio nos estudos realizados por Moreira (2017), realizou-se ensaios em um reator com capacidade de 1,5 L com volume reacional de 700 ml. Neste ensaio avaliou-se a produtividade de hidrogênio com o tempo. A temperatura dos experimentos foi de 30 ± 1 ºC, na ausência de luz na fermentação escura e com luz na fotofermentação, com agitação de 130 rpm. O gás produzido foi coletado em seringas graduadas e sua composição determinada através de cromatografia gasosa (Cromatógrafo Shimadzu modelo GC 17A). 3 Resultados e Discussão No ensaio 1 avaliou-se a produção de hidrogênio na fermentação escura utilizando como substrato lactose proveniente do permeado do soro de leite em pó e glicose de forma alternada. No ensaio 2 avaliou-se a produção de hidrogênio por fotofermentação com o sistema de co-cultura com as culturas puras de R. palustris e de R. capsulatus. Os resultados de produtividade de hidrogênio encontram-se nas Figuras 1 e 2.

4 Figura 1 Perfil de produtividade de hidrogênio: (a)fermentação escura, (b)fotofermentação Produtividade (mmol H 2 /L.dia) Tempo (h) Tempo (h) (a) (b) Observa-se pelos resultados apresentados na Figura 1 (a) que a produção de hidrogênio se inicia após 12 horas de fermentação, promovendo uma máxima produtividade obtida para a fermentação escura de 132,06 mmol H2/L.dia no tempo de 25 horas. Como pode ser visto, o processo fermentativo durou 930 horas com um volume de produção total de biogás de 16,08 L. Durante o processo fermentativo apenas hidrogênio e dióxido de carbono foram produzidos, indicou predominância do gás hidrogênio entre 75 a 81% das amostras coletadas. Para o ensaio de fotofermentação (Figura 2), a produção de hidrogênio inicia após 25 horas de processo fermentativo, apresentado uma produtividade máxima de 147,85 mmol H2/L.dia no tempo de 109 horas. A fotofermentação durou 317 horas com um volume de produção de biogás de 6,97 L. A análise do biogás produzido pelas bactérias fotossintetizantes, conferiu ao gás hidrogênio 90 a 95% de composição do biogás. Analisando a produção de hidrogênio em um sistema hibrido, combinado de fermentação escura e fotofermentação, obtém-se uma produtividade total do sistema de 279,91 mmol de H2/L.dia. A fermentação escura é considerada vantajosa para a produção de hidrogênio, por ser um processo que não necessita da disponibilidade de luz, dispensando, deste modo, configurações mais complexas de biorreatores. Além da produção de H2 ocorre a formação de ácidos orgânicos voláteis (acético, propiônico, láctico, butírico) e etanol. No processo de produção de H2 pela fotofermentação destaca-se o uso desses ácidos orgânicos como fonte de carbono, sendo assim, uma alternativa para aumentar o rendimento de produção de H2 é acoplar a fotofermentação como segunda etapa, ao processo de fermentação escura. Produtividade (mmol H 2 /L.dia)

5 4 Conclusões Este estudo mostrou que a produção de biohidrogênio com um sistema hibrido é uma potencial alternativa para aumentar o rendimento da produção de hidrogênio, com a combinação do processo fermentativo seguido pela fotofermentação. A produtividade total obtida foi de 279,91 mmol de H2/L.dia. 5 Agradecimentos/ Apoio financeiro Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPEMIG, CNPq, CAPES e Vale S.A. Referências ARGUN, H.; KARGI, F. Bio-hydrogen production by different operational modes of dark and photo-fermentation: An overview. International Journal of Hydrogen Energy, v. 36, p , DAS, D.; VEZIROGLU, T.N. Hydrogen production by biological processes: a survey of literature. International Journal of Hydrogen Energy, v. 26, p , GUO, L.; ZONG, Y.; LU, M.; ZHANG, J. Effect of different substrate concentrations and salinity on hydrogen production from mariculture organic waste (MOW). International Journal of Hydrogen Energy, v. 39, p , LAZARO, C.Z. Obtenção e Caracterização Filogenética de Consórcio de Bactérias Fototrópicas Púrpuras Não-Sulfurosas Consumidoras de Ácidos Orgânicos Visando a Produção de Hidrogênio em Reator Anaeróbio de Batelada. Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, MOREIRA, F.S; MACHADO, R.G; ROMÃO, B.B; BATISTA, F.R.X; FERREIRA, J.S; CARDOSO, V.L. Improvement of hydrogen production by biological route using repeated batch cycles. Process Biochemistry, v. 58, p , NANDI, R.; SENGUPTA, S. Microbial production of hydrogen: an overview. Critical Reviews in Microbiology, v. 24, p , ROMÃO, B.B.; BATISTA, F.R.X.; FERREIRA, J.S.; COSTA, H.C.B.; RESENDE, M.M.; CARDOSO, V.L. Biohydrogen production through dark fermentation by a microbial consortium using whey permeate as substrate. Applied Biochemistry Biotechnology, v. 172, p , WEAVER, P. F.; WALL, J. D.; GEST, H. Characterization of Rhodopseudomonas capsulate. Archives of Microbiology, v. 105, p , 1975.