AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO USANDO MELAÇO DE SOJA COMO SUBSTRATO POR CULTURA PURA

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1 9 AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO USANDO MELAÇO DE SOJA COMO SUBSTRATO POR CULTURA PURA EVALUATION OF HYDROGEN PRODUCTION APPLYING SOY MOLASSES BY PURE CULTURE Felipe Santos Moreira( 1 ) Rafaela Gonçalves Machado ( 2 ) Fabiana Regina Xavier Batista( 3 ) Juliana de Souza Ferreira( 4 ) Vicelma Luiz Cardoso ( ) Resumo A utilização do H2 como recurso energético em substituição aos combustíveis fósseis é uma opção promissora. Nesse trabalho, estudou-se a produção do H2 por fotofermentação empregando sistemas de cultura pura das bactérias púrpuras não sulfurosas. Foram realizados testes em batelada, usando efluente de fermentação escura enriquecido com melaço de soja como substrato. Este sistema permitiu a obtenção de uma produtividade máxima de 2,46 e 20,83 mmol H2/L dia para R. palustris e R. capsulatus, respectivamente, às 84 h de fotofermentação. Os valores correspondentes para conversão foram de 4,62 mol H2/mol de hexose consumida para R. palustris e 4,1 mol H2/mol de hexose consumida para R. capsulatus. Palavras-chave: Biohidrogênio. Rhodobacter palustris. Rhodobacter capsulatus. Abstract The use of H2 as an energy source to replace fossil fuels is a promising option. In this work, the production of hydrogen by fotofermentação was studied using pure culture systems of non-sulfur purple bacteria. Tests in batch mode were performed applying dark fermentation effluent enriched with soy molasses as substrate. This system allowed obtaining a maximum productivity of 2.46 and mmol H 2/L day by R. palustris and R. capsulatus, respectively, at 84 h fotofermentação. The corresponding values for conversion were 4.62 mol H2/mol hexose consumed R. palustris and 4.1 mol H2/mol hexose consumed R. capsulatus. 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. Química Industrial. Endereço eletrônico: rafaela_machado08@hotmail.com 3 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. 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: julianasf@ufu.br 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 Keywords: Biohydrogen. Rhodobacter palustris. Rhodobacter capsulatus Introdução As fontes energéticas têm grande importância no desenvolvimento das nações e, visando diminuir a dependência de combustíveis fósseis e reduzir a emissão de gases poluentes resultantes da sua combustão, pesquisas vêm sendo realizadas para encontrar fontes inesgotáveis e sustentáveis, com processos de produção que tenham custo e benefício satisfatórios. Neste contexto, o H2 mostra-se como uma alternativa promissora (ALVAREZ-GUZMAN et al., 2016). Atualmente, o H2 é produzido principalmente por reforma do gás natural, oxidação de hidrocarbonetos, gaseificação do carvão e eletrólise da água, que requerem altas temperaturas e pressões de operação, o que demanda uma elevada quantidade de energia e são processos dispendiosos (AZWAR et al., 2014). Em contrapartida, a produção de H2 via processos biológicos (1% da produção total), é uma alternativa promissora por ser realizado em condições de operação ambientes (BALAT e KIRTAY, 2010). Dentre os sistemas biológicos para produção de H2, encontram-se a biofotólise da água, a fermentação escura e a fotofermentação (AZWAR et al., 2014). A proposta deste trabalho foi o estudo da fotofermentação usando o efluente de fermentação escura (EFE) que é rico em ácidos orgânicos, com o intuito de aumentar o rendimento final em H2. O sistema híbrido constituído pela combinação do processo fermentativo seguido pelo fotofermentação é considerado promissor, pois é capaz de alcançar a conversão completa do substrato (DAS e VEZIROGLU, 2001). Avaliou-se o potencial de produção de H2 das bactérias púrpuras não-sulfurosas Rhodobacter capsulatus e Rhodopseudomonas palustris, enriquecendo o EFE com melaço de soja, que é composto pelos açúcares estaquiose, rafinose, sacarose, glicose e frutose. 2 Material e Métodos As bactérias púrpuras não-sulfurosas (PNS), Rhodopseudomonas palustris e Rhodobacter capsulatus, (DSMZ - German Collection of Microorganisms and Cell Culture) foram cultivadas em meio basal RCV (WEAVER et al., 197), ph de 6,8, em meio anaeróbio, a 30±1ºC, sob iluminação de 2200 lux. O EFE foi centrifugado para a retirada da cultura mista de bactérias. Em seguida, foi suplementado com os componentes do meio basal RCV, sem adição de sulfato de

3 61 amônio, que já se encontra no EFE, e com o melaço de soja (7 g/l de açúcares totais). Após esterilização, adicionou-se a tiamina e as bactérias PNS. Os ensaios de fotofermentação foram realizados em frascos de penicilina (0 ml), em duplicata, a 32±1 C, intensidade luminosa de 2200 lux, ph inicial de 6,8 e meio anaeróbio. O volume reacional foi de 37, ml, sendo ml de inóculo. Os biorreatores foram tampados com septo de borracha butílica e lacrados com cápsulas de alumínio. A composição do biogás 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 e de açúcar por cromatografia líquida (HPLC - Shimadzu modelo LC-20A Prominence, coluna SUPELCOGEL C-610H). 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 Os resultados de produtividade de H2 e de concentração de células, metabólitos e açúcares se encontram na Figura 1 (a f). Pela análise da Figura 1 (a), pode-se observar que não há grandes diferenças entre os parâmetros avaliados, indicando que ambas as cepas possuem o mesmo potencial de produção de H2 por fotofermentação. Os maiores valores de produtividade de H2 foram de 2,46 e 20,83 mmol H2/L dia para R. palustris e R. capsulatus, respectivamente, às 84 h de fotofermentação. Os valores correspondentes para conversão foram de 4,62 mol H2/mol de hexose consumida para R. palustris e 4,1 mol H2/mol de hexose consumida para R. capsulatus. Pela Figura 1 (b), verifica-se que, até as 60h, as células não produziram o H2. Isso pode ser justificado pela sua adaptação aos diferentes tipos de açúcares encontrados no melaço de soja. Observa-se um crescimento inicialmente maior da R. palustris, mas isso não afetou os resultados visto que, a partir de 40 h, a concentração celular foi a mesma na faixa variando entre 1,2 e 1,7 g/l. Deve-se ressaltar que se preparou frascos de sacrifício, sendo que cada biorreator foi analisado em tempos diferentes, mas o ph não foi corrigido, atingindo valores de,6 para R. palustris e,4 para R. capsulatus, que são inferiores ao ph ótimo (6,8) da nitrogenase. Considerando a análise dos ácidos orgânicos (Figura 1 (c) para R. palustris e (d) para R. capsulatus), houve produção dos seguintes ácidos orgânicos: butírico, láctico e acético. Para o ácido málico que já estava presente no meio RCV, pode-se verificar que

4 a concentração do ácido málico variou de 3,2 g/l para 1,39 g/l para R. capsulatus e 3,47 g/l para 1,29 g/l para R. palustris, representando um consumo de 60 e 63%, respectivamente. Figura 1 Fotofermentação empregando o EFE com melaço de soja. Produtividade (mmol H2/L dia) (a), Concentração celular (g/l) (b), Concentração de ácidos orgânicos por R. palustris (c) e R. capsulatus (d) e Concentração de açúcares por R. palustris (e) e R. capsulatus (f). 62 Produtividade (mmol H2/L.dia) R. palustris R. capsulatus 0 Concentração Celular (g/l) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 R. palustris R. capsulatus 0,0 (a) (b) 4,0 3, Ácido Málico (g/l) Ácido Acético (g/l) Ácido Láctico (g/l) Ácido Butírico (g/l) 4,0 3, Ácido Málico (g/l) Ácido Acético (g/l) Ácido Láctico (g/l) Ácido Butírico (g/l) Ácidos Orgânicos (g/l) 3,0 2, 2,0 1, 1,0 Ácidos Orgânicos (g/l) 3,0 2, 2,0 1, 1,0 0, 0, 0,0 0,0 (c) (d) 8 7 Estaquiose (g/l) Rafinose (g/l) Sacarose (g/l) Glicose (g/l) Frutose (g/l) Açúcar Total (g/l) 8 7 Estaquiose (g/l) Rafinose (g/l) Sacarose (g/l) Glicose (g/l) Frutose (g/l) Açúcar Total (g/l) Concentração de açúcares (g/l) Concentração de açúcares (g/l) (e) (f)

5 63 Para a cepa R. palustris (Figura 1 (c)), a produção de ácido butírico iniciou-se em 84 h de processo e atingiu 0,34 g/l ao final do ensaio. O ácido láctico foi produzido até 72 h atingindo a concentração de 1,08 g/l, mas após este período foi consumido até concentração final ser de 0,43 g/l. Quanto ao ácido acético, este foi sintetizado até as 108 h de fotofermentação e nas últimas 30 h (1,10 g/l) foi consumido apresentando uma concentração de 0,82 g/l. Perfil semelhante na concentração de ácidos orgânicos para a cepa R. capsulatus (Figura 1 (d)) pode ser descrito. O ácido butírico foi produzido a partir de 44 h de ensaio e atingindo 0,3 g/l. A concentração de ácido láctico atingiu 0,79 g/l em 72 h e após este período foi consumido até concentração final ser de 0,28 g/l. O ácido acético foi sintetizado ao longo de todo a fotofermentação sendo sua concentração final igual a 0,88 g/l. Com relação à análise do consumo dos açúcares presentes no melaço de soja durante o processo de produção de H2 (Figura 1 (e) para R. palustris e (f) para R. capsulatus), houve um consumo de 8% dos açúcares totais para ambas as cepas, sendo que, com exceção da frutose, todos os açúcares foram 100% consumidos. 4 Conclusões Este estudo mostrou que H2 pode ser sintetizado por fotofermentação, empregando resíduos agroindustriais. Produtividades máximas de 2,46 e 20,83 mmol H2/L dia foram obtidas para R. palustris e R. capsulatus, respectivamente. Agradecimentos/ Apoio financeiro S.A. Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPEMIG, CNPq, CAPES e Vale Referências ALVAREZ-GUZMÁN, C. L.; OCEGUERA-CONTRERAS, E.; ORNELAS-SALAS, J. T.; BALDERAS-HERNÁNDEZ, V. E.; LÉON-RODRÍGUEZ, A. Biohydrogen production by the psychrophilic G088 strain using single carbohydrates as substrate. International Journal of Hydrogen Energy, v. 41, p , AZWAR, M. Y.; HUSSAIN, M. A., ABDUL-WAHAB, A. K. Development of biohydrogen production by photobiological, fermentation and electrochemical processes: a review. Renewable Sustainable Energy Reviews, v. 31, p , BALAT, H.; KIRTAY, E. Hydrogen from biomass e Present scenario and future prospects. International Journal of Hydrogen Energy, v. 3, p , Ciência & Tecnologia: Fatec-JB, Jaboticabal, v. 8, Suplemento.

6 64 DAS, D.; VEZIROGLU, T.N. Hydrogen Production by Biological Processes: a Survey of Literature. International Journal of Hydrogen Energy, v. 26, p , WEAVER, P. F.; WALL, J. D.; GEST, H. Characterization of Rhodopseudomonas capsulate. Archives of Microbiology, v. 10, p , 197. Ciência & Tecnologia: Fatec-JB, Jaboticabal, v. 8, Suplemento.