INVESTIGAÇÃO DO EFEITO DE DIFERENTES FONTES DE CARBONO COMO SUBSTRATO PARA PRODUÇÃO DE H2

Transcrição

1 108 INVESTIGAÇÃO DO EFEITO DE DIFERENTES FONTES DE CARBONO COMO SUBSTRATO PARA PRODUÇÃO DE H2 INVESTIGATION OF THE EFFECT OF DIFFERENT CARBON SOURCES AS SUBSTRACT TO H2 PRODUCTION Rafaela Gonçalves Machado ( 1 ) Felipe Santos Moreira( 2 ) Fabiana Regina Xavier Batista( 3 ) Juliana de Souza Ferreira( 4 ) Vicelma Luiz Cardoso ( 5 ) Resumo O sistema híbrido para a produção de H2, combinando a escura e a foto, possui um grande potencial, pois permite a conversão total do substrato. Este estudo avaliou a produção do H2 por foto empregando Rhodopseudomonas palustris. Investigou-se o efeito da composição do meio, empregando meio basal RCV e efluente de escura (EFE), ambos enriquecidos com glicose, lactose ou melaço de soja. Os resultados mostraram que o EFE, contendo ácidos orgânicos, produziu melhores resultados, indicando que há uma sinergia entre os metabólitos do EFE e o açúcar. O meio enriquecido com melaço de soja no EFE apresentou a maior produtividade (8,34 mmol de H2/L dia). Palavras-chave: Biohidrogênio. Bactérias púrpuras não sulfurosas. Rhodobacter palustris. Abstract The hybrid system for H2 production combining dark fermentation and photofermentation presents a great potential since it allows the total substrate conversion. This study evaluated the production of H 2 by foto using Rhodopseudomonas palustris. The effect of medium composition was investigated using basal medium RCV and dark fermentation effluent (DFE), both enriched with glucose, lactose ou soy molasses. The results showed that the DFE, containing organic acids, produced better results, indicating that there is a synergy between the metabolite of DFE and the sugar. The medium enriched with soy molasses in the DFE achieved the highest productivity (8.34 mmol H 2/L dia). Keywords: Biohydrogen. Bacteria purple non-sulfur. Rhodobacter palustris.. 1 Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Química Industrial. Endereço eletrônico: rafaela_machado08@hotmail.com 2 Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Eng. químico. Endereço eletrônico: felipemoreiraufvjm@gmail.com. 3 Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: frxbatista@ufu.br. 4 Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: julianasf@ufu.br 5 Federal de Uberlândia. Eng. química. Endereço eletrônico: vicelma@ufu.br

2 109 1 Introdução O aumento da demanda energética aliado ao intuito de reduzir a dependência por recursos não renováveis e que emitem gases de efeito estufa ao sofrerem combustão, têm incentivado a busca por fontes alternativas de energia. O H2 destaca-se por apresentar uma elevada densidade energética, 141,86 KJ/g, sendo superior aos combustíveis à base de hidrocarbonetos (DAS e VEZIROGLU, 2008). Além disso, sua combustão direta libera somente água como subproduto, reduzindo os impactos ambientais. O H2, também é capaz de gerar energia elétrica através de células a combustível e ser utilizado em meios de transportes pelas mesmas células ou através de motores de combustão interna (HALLENBECK e GHOSH, 2009) Uma forma de se produzir o H2 de forma sustentável é por rota biológica que pode ser por biofotólise da água (algas e cianobactérias), a escura (bactérias anaeróbias) e a foto (bactérias fotossintetizantes púrpuras não-sulfurosas (PNS)) (DAS e VEZIROGLU, 2008). A escura tem-se destacado devido às suas rápidas taxas de conversão de H2 e a possibilidade de utilização de diferentes fontes renováveis como substrato. No entanto, apresenta algumas limitações, como a grande quantidade de subprodutos (ácidos orgânicos) gerados, consumo de hidrogênio por bactérias metanogênicas, bactérias sulfato e nitrato-redutoras e baixo rendimento de hidrogênio (SAADY, 2013). Um recurso que pode ser empregado para minimizar a alta carga orgânica remanescente no meio da escura e aumentar o rendimento final de hidrogênio é utilizar um sistema híbrido, utilizando efluente da escura (EFE) empregado como substrato no processo de foto (ARGUN e KARGI, 2011). Em face ao exposto, esse trabalho foi realizado com o intuito de estudar a produção de hidrogênio por foto, empregando a bactéria PNS, Rhodopseudomonas palustris. Foram utilizados como substrato o EFE suplementado com diferentes fontes de carbono, sendo elas glicose, lactose e melaço de soja. 2 Material e Métodos A cepa de bactéria PNS, Rhodopseudomonas palustris (DSMZ (German Collection of Microorganisms and Cell Culture) foi cultivada em meio basal RCV (WEAVER et al., 1975), ph de 6,8, em meio anaeróbio, a 30±1ºC, sob iluminação de 2200 lux. Para o estudo da influência da composição do meio, utilizou o meio basal RCV ou o EFE. Ao substrato foi adicionado lactose (P.A.), glicose (P.A.) ou melaço de soja na

3 110 concentração total de açúcares de 9,5 ± 0,5 g/l. Antes dos ensaios, o EFE foi centrifugado para a retirada da cultura mista de bactérias, suplementado com os componentes do meio basal RCV e esterilizado. Deve-se ressaltar que, em ambas as condições, não foram usados o ácido málico e o sulfato de amônia comuns ao meio RCV, uma vez que a proposta é avaliar a conversão somente dos açúcares e dos ácidos já provenientes do EFE. Os ensaios de foto foram realizados em frascos de penicilina (50 ml), em duplicata. Foram conduzidos a 32 ± 1 C, com intensidade luminosa de 2200 lux, ph inicial de 6,8 e em anaerobiose. O volume reacional foi de 37,5 ml, sendo 5 ml de inóculo e os frascos foram tampados com septo de borracha butílica e lacrados com cápsulas de alumínio. A composição do biogás produzido foi determinada por cromatografia gasosa (Shimadzu modelo GC 17A, detector de condutividade térmica, coluna capilar Carboxen 1010). Amostras do meio reacional, iniciais e após a finalização do experimento (7 dias), foram coletadas para análises de metabólitos por cromatografia líquida (HPLC - Shimadzu modelo LC-20A Prominence, coluna SUPELCOGEL C-610H, açúcares e o etanol detector de índice de refração, ácidos orgânicos detector UV-Vis (210 nm). A concentração celular foi determinada pela leitura de absorbância a 660 nm e convertida em g/l através da curva de calibração. 3 Resultados e Discussão Testes foram feitos com a Rhodopseudomonas palustris, no intuito de explorar o potencial desta cepa como produtora de H2. Neste caso, foram usadas três diferentes fontes de açúcar sendo lactose e glicose P.A. e o melaço de soja, que é constituído de estaquiose, rafinose, glicose, frutose e sacarose. Além do efeito do tipo de açúcar, também foi avaliado o efeito de se utilizar somente o meio basal RCV ou EFE com adição dos componentes do meio RCV. Os dados se encontram das Tabelas 1 e 2. Nos ensaios com o meio sintético RCV, as composições iniciais de açúcares totais foram de 9,90 g/l, 9,76 g/l e 9,35 g/l para lactose, glicose e açúcares do melaço de soja, respectivamente. Nos ensaios com o efluente da escura, as composições de açúcares totais foram de 9,92 g/l, 9,88 g/l e 9,78 g/l para lactose, glicose e açúcares do melaço de soja, respectivamente. Em todos os ensaios, houve 100% de consumo dos açúcares. Pela análise da Tabela 1, observa-se que o volume de biogás e a produtividade de H 2 foram maiores quando se usou o EFE independente do açúcar usado para suplementar o meio.

4 111 O volume de biogás foi de 33,5 ml, 46,6 ml e 52 ml para glicose, lactose e melaço de soja, respectivamente. Para a produtividade de H2, em um meio com efluente de, o uso de melaço de soja também resultou em melhor resultado (8,34 mmol H2/L dia). Com relação à concentração celular, o aumento foi maior no meio RCV suplementado com lactose e glicose, com 13 e 25 vezes, respectivamente. A baixa concentração de biomassa (< 0,35 g/l) nestes casos pode ter favorecido o aumento celular. Para os demais ensaios, RCV suplementado com melaço de soja e efluente de independente do açúcar, o aumento de células foi de 3 a 4 vezes com relação à concentração inicial. Tabela 1 Influência da composição do meio suplementado com diferentes açúcares: meio RCV e meio de EFE para produção de hidrogênio por foto Meio de RCV Efluente da escura Açúcar Vbiogás Produtividade Ccélulas (ml) (mmolh2/ L.dia) inicial final Lactose 24,7 0,41 0,10 1,36 Glicose 27,0 8,64 0,09 2,31 Melaço de Soja 21,7 2,75 0,47 1,87 Lactose 46,6 5,21 1,06 3,51 Glicose 33,5 5,07 1,17 3,21 Melaço de Soja 52,0 8,34 1,44 3,85 Ccélulas Tabela 2 Composição de ácidos orgânicos na foto om meio suplementado com diferentes açúcares: meio RCV e meio de EFE Concentração de ácidos (g/l) Ensaio Açúcar Laci Lacf Aceti Acetf Buti Butf Propi Propf Formf Meio Sintético Efluente da escura Lactose *** *** *** 0,33 *** *** *** *** *** Glicose *** 1,18 *** 0,51 *** 0,50 *** *** *** Melaço de Soja *** 0,17 *** 1,62 *** 0,66 *** *** *** Lactose 19,64 2,38 2,41 1,14 0,70 9,14 0,05 1,73 2,51 Glicose 19,20 1,48 2,38 1,08 0,72 8,31 0,06 2,07 2,54 Melaço de Soja 19,21 1,10 2,28 1,34 1,17 10,90 0,08 1,20 0,48 Lac = ácido láctico, Acet = ácido acético, But = ácido butírico, Prop = ácido propiônico, Form = ácido fórmico. i = inicial, f = final A Tabela 2 indica a baixa formação de ácidos orgânicos no meio RCV independente do tipo de açúcar suplementado. Para os ensaios com EFE como meio de foto, observa-se a alta concentração de ácido láctico inicialmente (19,21 a 19,64 g/l), seguida do

5 112 ácido acético (2,28 a 2,38 g/l), ácido butírico (0,70 a 1,72 g/l) e quantidade traços de ácido propiônico (0,05 0,08 g/l). Nestas condições, para verifica-se que o ácido láctico foi consumido (88 a 94%), assim como o ácido acético (41 a 55%). Houve formação de ácido fórmico, 0,48 g/l para o ensaio com melaço de soja e 2,5 g/l quando se usou lactose ou glicose, ácido propiônico com a concentração crescente de 1,20 g/l, 1,73 g/l e 2,07 g/l quando se usou melaço de soja, lactose e glicose, respectivamente. O ácido produzido em maior quantidade foi o butírico sendo 9,14 g/l para o ensaio com lactose, 8,31 g/l para o ensaio com glicose e 10,90 g/l para o ensaio com melaço de soja. Isso condiz com os resultados de produtividade de hidrogênio apresentados na Tabela 1, uma vez que a rota de produção do ácido butírico é um caminho metabólico que leva à formação de hidrogênio (SAADY, 2013). 4 Conclusões Neste trabalho, mostrou-se que o melaço de soja em meio composto por EFE produziu maior produtividade (8,34 mmol de H2/L dia), indicando que houve uma sinergia entre os metabólitos do EFE e o açúcar e que melaço de soja é um resíduo que pode ser empregado na formação de produto de alto valor agregado. 5 Agradecimentos/ Apoio financeiro Referências Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPEMIG, CNPq, CAPES e Vale S.A. 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. Advances in biological hydrogen production processes. International Journal of Hydrogen Energy, v. 33, p , HALLENBECK, P. C.; GHOSH, D. Advances in fermentative biohydrogen. Trends In Biotechnology, v. 27, p , SAADY, N. M. C. Homoacetogenesis during hydrogen production by mixed cultures dark fermentation: Unresolved challenge. International Journal of Hydrogen Energy, v. 38, p , WEAVER, P. F.; WALL, J. D.; GEST, H. Characterization of Rhodopseudomonas capsulate. Archives of Microbiology, v. 105, p , 1975.