JBCS

INTRODUÇAO

O uso indiscriminado de combustíveis fósseis, os problemas ambientais relacionados ao aquecimento global e as necessidades de adequaçao às legislaçoes ambientais cada vez mais rigorosas estimulam o desenvolvimento de novos recursos energéticos.¹ Nesse contexto, a produçao de biocombustíveis (biodiesel, etanol e biogás) surge como uma opçao atraente para controlar os efeitos adversos relacionados com a oferta de energia a partir de fontes convencionais.

O hidrogênio (H₂) vem sendo apontado como uma alternativa energética promissora, devido ao seu elevado teor de energia por unidade de massa (142 kJ g^-1) e baixo potencial de poluiçao, uma vez que só produz água quando usado como comburente. Além disso, ele pode ser obtido a partir de matérias-primas oriundas de diferentes fontes, renováveis ou nao, e por meio de vários métodos de produçao.^2,3 Nos setores de energia e transporte, o H₂ pode ser utilizado diretamente em células a combustível ou motores de combustao interna.⁴

Dentre os métodos biológicos disponíveis para geraçao de H₂, a fermentaçao anaeróbia vem se destacando por ser de fácil operaçao, baixo custo e por possibilitar o uso de uma ampla variedade de matérias residuais como substratos quando comparada a outros processos biológicos existentes.^5,6 A produçao biológica de H₂ constitui uma alternativa tecnológica bastante promissora, uma vez que a utilizaçao de biomassa residual promove tanto a obtençao de energia limpa, quanto à reduçao e estabilizaçao de resíduos orgânicos.⁷

A quantidade crescente de resíduos sólidos urbanos gerados tem sido uma preocupaçao constante em todo o mundo. No ano de 2014, no Brasil, foram coletadas 64,4 milhoes de toneladas de resíduos sólidos urbanos, domiciliares e públicos, dos quais 58,5% foram dispostos de forma inadequada em lixoes e aterros controlados.⁸ Outro tipo de resíduos que vem atraindo atençao é o glicerol bruto proveniente da indústria de produçao de biodiesel, fortemente relacionada com a expansao na produçao de biocombustíveis. No Brasil, a mistura de 7% de biodiesel com o diesel convencional, de petróleo, tornou-se obrigatória em 2014. Consequentemente, observou-se um aumento da quantidade de biodiesel produzida nos últimos anos, a qual atingiu 3,9 milhoes de m³ em 2015.⁹ Estima-se que cerca de 10% em massa dos produtos oriundos da produçao de biodiesel corresponde ao glicerol, principal subproduto desse processo.¹⁰

O desenvolvimento e implementaçao de processos sustentáveis é uma necessidade absoluta para o aproveitamento de diferentes resíduos (municipais e industriais), e, por conseguinte, reduçao do impacto ambiental associado ao descarte inadequado dos mesmos.¹¹ Assim, uma opçao interessante é a codigestao de resíduos orgânicos com substâncias biodegradáveis, tais como glicerol, que juntos podem aumentar a carga de matéria orgânica biodegradável e conduzir a uma maior produçao de biogás.¹²

Apesar do glicerol bruto ser um substrato atraente para aumentar a produçao de biogás por digestao anaeróbia, poucos estudos relatam o seu uso como cosubstrato para a produçao de H₂. Embora existam estudos prévios que investigaram o efeito da adiçao de glicerol na digestao de fraçao orgânica sintética de resíduos sólidos urbanos¹² e de resíduos industriais,¹³ a codigestao de glicerol e resíduos alimentares reais foi pouco explorada. Sendo assim, o presente trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da adiçao de 1% (v v^-1) de glicerol (proporçao comumente reportada na literatura), como cosubstrato, na produçao de H₂ durante a fermentaçao anaeróbia de resíduos alimentares.

MATERIAIS E METODOS

Substratos

As amostras de resíduos orgânicos (RO) utilizadas no ensaio foram coletadas no restaurante universitário da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Aproximadamente 10 kg de resíduos orgânicos foram coletados diariamente, durante uma semana, quarteados manualmente e divididos nas diferentes fraçoes: (a) Frutas, verduras e legumes; (b) Graos (leguminosas e cereais); (c) Carnes (bovina, aves, peixes) e (d) outros - rejeitos. Os resultados do procedimento da triagem manual sao apresentados na Tabela 1.

Após a separaçao em fraçoes, as amostras foram homogeneizadas, trituradas em processador, e água foi adicionada para formar uma soluçao de estoque. A soluçao estoque apresentou uma concentraçao de sólidos de 135 g SV L^-1 e foi armazenada em freezer a -20 °C para minimizar a degradaçao biológica que ocorreria à temperatura ambiente.

O glicerol bruto (GL) utilizado como cosubstrato neste estudo foi fornecido pelo Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello - CENPES/PETROBRAS. O glicerol foi oriundo da transesterificaçao de óleo de soja (60%) e gordura animal (40%). Para evitar uma possível sobrecarga e inibiçao do processo de fermentaçao anaeróbia, o glicerol foi diluído no intuito de se obter uma soluçao de 10 g SV L^-1.¹⁴ A caracterizaçao dos substratos utilizados no ensaio é apresentada na Tabela 2.

Inóculo

Lodo anaeróbio coletado de um digestor da Estaçao de Tratamento de Esgoto da Penha, da Companhia Estadual de Aguas e Esgotos (CEDAE), localizada no município do Rio de Janeiro, foi utilizado como inóculo. O pH e as concetraçoes de SV e SSV do inóculo foram de 7, 28,3 g L^-1 e 27,3 g L^-1, respectivamente. A fim de inibir a atividade das arqueas metanogênicas, o inóculo foi submetido a um pré-tratamento térmico (100 °C por 30 min).¹⁵

Procedimentos experimentais

Os ensaios de Potencial Bioquímico de Hidrogênio (BHP) foram realizados em frascos de vidro de 250 mL, fechados com tampas de náilon, acopladas com manômetros de 1 kgf cm^-2.¹⁶ O volume de trabalho utilizado em cada frasco foi de 120 ml (60 mL de substrato e 60 mL de inóculo) e o headspace foi de 130 mL.

A concentraçao de resíduos orgânicos e a relaçao inóculo:substrato foram padronizadas em todos os ensaios em 10 g SV L^-1 e 2:1 (g SV g SV^-1), respectivamente.^17,18 Para avaliar a influência do cosubstrato, 1% (v v^-1) de glicerol foi adicionado aos resíduos orgânicos (RO+GL1%), conforme reportado em trabalhos anteriores.^12,13 O pH inicial do meio foi ajustado em 5,5 ± 0,1 com HCl 1 mol L^-1. Todos os frascos foram purgados com nitrogênio gasoso (N₂) durante 2 min para a manutençao de condiçoes de anaerobiose e, em seguida, incubados em agitador rotativo a 35 °C e 150 rpm. A Figura 1 mostra um fluxograma do ensaio de BHP.

Procedeu-se também à realizaçao de um experimento controle utilizando apenas resíduo orgânico (RO), sem adiçao de glicerol, para fins comparativos. Todos os ensaios foram realizados em triplicata.

Figura 1. Fluxograma do ensaio de BHP

Os ensaios tiveram duraçao de 36 horas e, a cada 4 horas, as pressoes de cada frasco foram monitoradas, enquanto que amostras líquidas e gasosas foram coletadas, respectivamente, para determinaçao do teor de ácidos orgânicos e de H₂ no biogás. Com base nos valores das pressoes registradas, foram determinados o volume de H₂ acumulado nas Condiçoes Normais de Temperatura e Pressao - CNTP (NmL). A taxa de geraçao de H₂ (NmL h^-1) foi determinada com base no volume acumulado desse gás no intervalo de 4 h. Nenhum meio nutricional externo foi adicionado às amostras.

Métodos analíticos

As análises de Sólidos Voláteis (SV) e Demanda Química de Oxigênio (DQO) foram mensuradas de acordo com Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.¹⁹ Carboidratos foram analisados utilizando o método Dubois,²⁰ utilizando glicose como padrao.

A determinaçao do teor de H₂ nas amostras de gás foi determinada por cromatografia gasosa em um Micro CG (Agilent Technologies 3000A - California, USA), equipado com dois canais e um detector de condutibilidade térmica (TCD). As colunas utilizadas foram HP-PLOT U e HP-PLOT Molecular Sieve 5A, com temperaturas de 60 °C e 100 °C, respectivamente. A temperatura do injetor e da entrada da amostra foram de 90 °C e 110 °C, respectivamente. Hélio e nitrogênio foram utilizados como gases de arraste para as colunas HP-PLOT U e HP-PLOT Molecular Sieve 5A, respectivamente.²¹

As amostras líquidas do processo fermentativo anaeróbio foram coletadas para determinaçao de ácidos orgânicos (ácidos acético e butírico). Tais análises foram determinadas por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (High performance liquid chromatography - HPLC) (Shimadzu Corporation, Japao), utilizando uma coluna HPX-87H Aminex a 55 °C. As análises foram realizadas a um fluxo de 0,7 mL min^-1, temperatura constante de 55 °C e a fase móvel consistiu de uma soluçao de ácido sulfúrico (H₂SO₄) 5 mmol L^-1. As amostras líquidas foram centrifugadas a 3000 rpm durante 30 min. Os sobrenadantes obtidos foram filtrados em membrana com diâmetro de poro 0,22 µm Millipore antes de serem injetadas no sistema cromatográfico.²²

Para os cálculos de geraçao de biogás, utilizou-se as pressoes registradas pelo manômetro de cada frasco, bem como os dados de pressao atmosférica e temperatura obtidos no site do Instituto Nacional de Meteorologia - INMET. O volume de biogás foi calculado tendo como base a Equaçao dos gases ideais.²³

RESULTADOS E DISCUSSAO

Caracterizaçao dos substratos

Os resíduos classificados em frutas e hortaliças (verduras e legumes) e graos (leguminosas e cereais) equivaleram a 57,4% e 13,5% do total de resíduos coletados, respectivamente. Tais fraçoes, somadas, representam 71% dos resíduos orgânicos em massa úmida e contribuem com a maior parte dos carboidratos, considerados os principais compostos biodegradáveis para a produçao de H_2.²⁴

A fraçao contendo resíduos classificados como carnes, aves e peixes apresentou um percentual elevado (26,3%), sendo constituída basicamente por resíduos de gordura animal e peles provenientes do pré-preparo dos alimentos e dos restos de refeiçoes. As carnes, em geral, contribuem com proteínas e lipídios, compostos orgânicos com baixo potencial de produçao de H₂, preferencialmente utilizados para a produçao de metano.²⁵ Segundo Alibardi e Cossu, informaçoes detalhadas sobre a composiçao dos resíduos e caracterizaçao físico-química sao essenciais para identificar o potencial desses resíduos no processo de fermentaçao anaeróbia.²⁶

Os resíduos orgânicos apresentaram um pH ácido, típico de resíduos alimentares. Segundo estudos prévios, o pH desse tipo de amostra varia entre 4,1 a 5.^27,28 Em relaçao ao conteúdo de umidade, fator que influencia diretamente a atividade microbiana na biodegradaçao, a amostra apresentou um valor médio de 72,6%, em conformidade com os valores relatados por Yasin et al. para resíduos de alimentos (72 - 85%).²⁹ O teor de sólidos voláteis (SV) nos resíduos do restaurante universitário foi de 96,9%, resultado compatível com a faixa média descrita na literatura para resíduos alimentares, que pode variar de 85% a 96%, dependendo do tipo de amostra analisada.^30,31 A concentraçao de matéria orgânica, expressa em termos de DQO, foi de 94 g L^-1, dentro da faixa encontrada na literatura de 59 a 162 g L^-1.^32,33

A relaçao C/N é outro parâmetro importante, uma vez que um conteúdo maior de carbono favorece a produçao de H₂. A relaçao C/N encontrada para os resíduos orgânicos foi 18, dentro da faixa descrita na literatura, que varia de 14,7 a 22,1.^34,35 Tendo em vista a composiçao elementar de carboidratos, proteínas e lipídios, é possível inferir que uma quantidade importante de carbono está disponível nos resíduos orgânicos, o que o torna altamente degradável. Vale ressaltar que a composiçao elementar desses componentes é fortemente influenciada pela fonte de origem de cada resíduo.³⁶ Os resíduos orgânicos estudados apresentaram um conteúdo de carboidratos de 43,3% e um teor de proteínas de 18,4%.

O glicerol bruto apresentou pureza, teor de água e cinzas de 70%, 16,36% e 4,7%, respectivamente. Rivaldi et al. e Sarma et al. descreveram valores na faixa entre 60 e 75% para pureza de glicerol residual e Thompson e He relataram valores de 0,25 a 5,5% para o teor de cinzas.^37-39 Em relaçao à concentraçao de matéria orgânica, o glicerol apresentou DQO de 1023,3 g L^-1 e percentual de SV ST^-1 de 94,7%. Zahedi et al. e Marone et al. descreveram, respectivamente, valores de 1400 g L^-1 para DQO e 91,7% para a relaçao SV ST^-1.^13,40

Produçao de hidrogênio

A codigestao de resíduos orgânicos e glicerol bruto (1% v v^-1) para produçao de H₂ foi investigada. Os volumes máximos acumulados de H₂ a partir da digestao de resíduos orgânicos (RO) e da codigestao de resíduos orgânicos e glicerol (RO+GL1%) foram de 12,8 mL e 34,6 mL, respectivamente. Ambos foram obtidos após 36 h de incubaçao. A adiçao de glicerol promoveu um aumento no teor de H₂ no biogás, de 30 para 42%, provavelmente em funçao da maior atividade acidogênica e consequente aumento da formaçao de ácidos orgânicos. Estudos prévios relacionados à fermentaçao acidogênica de resíduos alimentares e domésticos relatam percentuais de 18,7 a 60% de H₂ no biogás.^41-44 Além de H₂, o biogás produzido foi composto de CO₂. A ausência de metano no biogás pode ser atribuída ao pré-tratamento térmico do inóculo que se mostrou eficaz na inibiçao das arqueas metanogênicas. A evoluçao da produçao de H₂ na codigestao de resíduos orgânicos e 1% de glicerol (RO+GL1%) e na digestao de resíduos orgânicos (experimento controle), ao longo de 36 h de fermentaçao, é apresentada na Figura 2.

Figura 2. Produçao de hidrogênio na codigestao de resíduos orgânicos com e sem adiçao de 1% de glicerol. (A) Volume acumulado e conteúdo de hidrogênio; (B) Taxa de geraçao de hidrogênio

As maiores taxas de geraçao foram observadas imediatamente após a fase de adaptaçao, tanto no experimento com glicerol como no teste controle. Em ambos os testes, a taxa máxima foi obtida após 12 h de fermentaçao.

Em relaçao à taxa máxima de geraçao de H₂, a adiçao de 1% de glicerol promoveu um aumento de cerca de 3 vezes, de 1,26 para 3,6 mL h^-1, em comparaçao com o experimento controle. Resultados semelhantes foram obtidos por Fountoulakis e Manios, em um estudo de codigestao de fraçao orgânica de resíduos sólidos urbanos e 1% de glicerol. Esses autores reportaram um aumento superior a 100% na taxa de produçao de H₂, de 396 mL d^-1 (sem glicerol) para 848 mL d^-1 (com glicerol).¹²

A produçao de H₂ foi monitorada a cada quatro horas durante 36 horas, nao sendo possível determinar com exatidao, no período de amostragem, a duraçao da fase de adaptaçao da microbiota nas amostras em estudo (fase Lag). Entretanto, na Figura 1, é possível observar que a produçao de H₂ teve início após 4 horas de incubaçao nas amostras com adiçao de glicerol, atingindo produçao cumulativa máxima após 24 horas, período após o qual as concentraçoes se mantiveram estáveis até o final do ensaio. Em contrapartida, no ensaio controle, a produçao de H₂ iniciou após 8 horas de incubaçao. É possível inferir que a adiçao de glicerol aos resíduos orgânicos acelerou o crescimento bacteriano, reduzindo, consequentemente, o tempo da fase lag (em algumas horas) em virtude do aumento da quantidade de carbono simples e de elementos nutricionais (fósforo, nitrogênio, cálcio, entre outros) facilmente assimiláveis pelos microrganismos durante o processo fermentativo.³⁷ Por outro lado, o aumento da hidrólise dos substratos resultou no aumento da produçao H₂ em um período de tempo menor.¹³

A produçao específica de H₂ com adiçao de 1% de glicerol foi de 140 mL H₂ g VS^-1, valor 60% superior à amostra controle (87,3 mL H₂ g SV^-1). A taxa específica de produçao de H₂ atingiu o valor máximo de 14,26 e 8,57 mL H₂ g VS h^-1 para as amostras com e sem adiçao de glicerol, respectivamente. Estes resultados indicam que a codigestao de resíduos orgânicos com glicerol melhorou a produçao específica de H₂. Os resultados referentes à produçao de H₂ e ao percentual de aumento em relaçao à amostra controle, tendo como base a produçao específica, estao sumarizados na Tabela 3.

Apesar do glicerol bruto ser um substrato atraente para aumentar a produçao de biogás por digestao anaeróbia, poucos estudos relatam o seu uso como cosubstrato para a produçao de H₂. Fountoulakis e Manios avaliaram o uso de glicerol bruto, como cosubstrato, para melhorar a produçao de H₂ no tratamento da fraçao orgânica sintética dos resíduos sólidos urbanos (FORSU). Os autores observaram que a adiçao de 1% de glicerol teve um efeito positivo na fermentaçao anaeróbia, cuja produçao específica foi de 26 mL H₂ g SV^-1.¹² Zahedi et al. também investigaram o efeito da suplementaçao de 1% de glicerol em resíduos sólidos urbanos industriais em condiçoes termofílicas.¹³ Os autores reportaram um aumento de 25 para 51 mL H₂ g SV^-1 na produçao específica de H₂, o que representa um aumento de mais de 100% em relaçao ao controle. Os resultados referentes à produçao específica de hidrogênio obtidos neste estudo, apresentados na Tabela 3, foram superiores aos relatados na literatura, demonstrando que resíduos alimentares apresentam um melhor desempenho como substrato no processo de codigestao.

A remoçao de SV e DQO com adiçao de glicerol nao ultrapassou 12%. As concentraçoes iniciais e finais dos substratos encontram-se descritas na Tabela 4. Sugere-se que a baixa remoçao de sólidos voláteis foi devida ao aumento do crescimento da biomassa promovido pela suplementaçao de uma fonte extra de carbono orgânico (glicerol bruto), resultando no aumento da quantidade total de sólidos voláteis no sistema.⁴⁵ Já a baixa remoçao de DQO pode ser atribuída ao aumento da carga com adiçao de glicerol.¹³ Estima-se que cerca de 33% dos sólidos voláteis ou menos de 20% da DQO sejam removidos durante o processo de produçao de H₂.^46,47 Dessa maneira, uma etapa metanogênica subsequente pode ser utilizada para reduzir o teor de matéria orgânica remanescente e aproveitar o potencial energético do substrato nao convertido em biogás.

Os percentuais de remoçao de carboidratos obtidos após 36 horas de fermentaçao para as amostras sem e com adiçao de glicerol foram de 28% e 32%, respectivamente. Apesar da pequena diferença entre esses valores, o resultado aponta que mais componentes orgânicos foram hidrolisados e fermentados após a adiçao de glicerol. A complexidade inerente à composiçao dos resíduos pode ter influenciado na eficiência de degradaçao dos carboidratos. Esses resultados também estao de acordo com a produçao de ácidos orgânicos, cuja quantidade aumentou com a adiçao de cosubstrato. Em relaçao à amostra controle, a adiçao de glicerol resultou em maiores concentraçoes de ácido butírico do que de ácido acético, sugerindo uma fermentaçao do tipo butírica. As concentraçoes de ácidos orgânicos voláteis após 36 horas de fermentaçao sao apresentadas na Tabela 5.

A obtençao dos ácidos acético (HAc) e butírico (HBu) como produtos do processo fermentativo fornecem informaçoes relevantes sobre a rota metabólica seguida pelos microrganismos. Concentraçoes elevadas desses ácidos durante o processo fermentativo sugerem a presença de Clostridium sp. como microbiota dominante durante a fase de produçao de H_2.⁴⁸

Além disso, a relaçao HBu/Hac tem sido considerada como um indicador crucial para avaliar a eficiência das culturas produtoras de H₂.⁴⁹ Os resultados referentes à relaçao HBu/HAc foram acima de 1, como pode ser verificado na Tabela 5. Os valores obtidos neste estudo estao de acordo os valores da relaçao HBu/Hac descritos na literatura, os quais variam no intervalo de 0,4 a 2,1.⁵⁰ Substratos com maior teor de carboidratos apresentam uma relaçao HBu/HAc superior a 0,8, enquanto que para substratos com maior conteúdo de proteínas e lipídios essa relaçao varia entre 0,36 e 0,7. O teor de carboidratos é o principal fator que influencia a concentraçao de ácido butírico.²⁶

CONCLUSOES

Neste estudo, observou-se que a codigestao de resíduos sólidos e glicerol bruto (1% v.v^-1) é uma alternativa promissora para aumentar o rendimento da produçao de hidrogênio via fermentaçao anaeróbia. A adiçao desse cosubstrato permitiu reduzir o período de aclimataçao dos microrganismos (Fase lag), acelerando o crescimento microbiano, por conseguinte, a hidrólise dos substratos, maximizando a produtividade de hidrogênio. Os resultados revelaram que, além do aumento do volume máximo acumulado de H₂ obtido, a adiçao de glicerol propiciou um acréscimo no teor de hidrogênio no biogás de 30 para 42%. A máxima taxa específica de geraçao de H₂ e a máxima produçao específica desse gás foram de 8,57 e 14,26 mL H₂ g VS h^-1 e de 87,3 e 140 mL g VS^-1 para os testes realizados sem e com a adiçao de glicerol, respectivamente.

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