- Engenharia Química-UFCG

Universidade Federal de Campina Grande – UFCG
Centro de Ciências e Tecnologias – CCT
Unidade Acadêmica de Engenharia Química - UAEQ
Energias Renováveis
(Biogás)
Aula 2 – Fundamentos químico e
bioquímico da biodigestão Anaeróbica
Prof. Nilton Silva
INTRODUÇÃO
DIGESTÃO ANAERÓBICA
AMINOÁCIDOS CONTENDO
SULFETOS
H2S
SULFATOS
MATÉRIA
ORGÂNICA
COMPLEXA
H2
ALCOOIS, ÁCIDOS
CARBOXILICOS
CH4
ÁCIDO
ACÉTICO
HIDRÓLISE || ACIDOGÊNESE || ACETOGÊNESE || METANOGÊNESE
INTRODUÇÃO
METANOGÊNESE
H2+CO2
IV
CH4
CO2
4
Carboidratos
Açúcares
simples
2
2
2
Aminoácidos
1
A
C.
3
3
Ac. Lático
Ac. Butírico
H2+CO2
2
AGV
Proteínas
4
2
1
2
Materiais
orgânicos
complexos
4
2
Ac. Propiônico
3
2
Ac. Valérico
3
A
C
É
T
I
C
O
NH3
Lipídios
I
HIDRÓLISE
1
2
LCFA
II
ACIDOGÊNESE
III
ACETOGÊNESE
INTRODUÇÃO
Redução sulfato
Redução sulfato
Hidrólise
Polímeros
Complexos
(Matéria Orgânica)
Proteínas,
Carboidratos e
ácidos Graxos
Acidogênese
Ácidos graxos
de cadeias
longa, Butirato,
Propianato, etc
Acetoclástica
Metanogênese
Hidrogenotrópica
Hidrólise
Aminoácidos,
açúcares
Hidrogênio,
dióxido de
carbono
Redução sulfato
Sulfito de hidrogênio e dióxido de carbono
Acetato
Metano, dióxido de carbono
Ácidos graxos
voláteis,
álcoois
INTRODUÇÃO
Grupos microbianos envolvidos na DA
- Bactérias fermentativas: responsáveis pela hidrólise e acetogênese
Gêneros: Bacteroides, Eubacterium, Lactobacillus, Butyribio,
Bifidobacterium;
Bacteroides Fragilis
Eubacterium
Butyribacterium
Bifidobacterium longum
Lactobacillus
rhamnosus
Grupos microbianos envolvidos na DA
- Bactérias fermentativas: responsáveis pela hidrólise e acetogênese
Gêneros: Bacteroides, Eubacterium, Lactobacillus, Butyribio,
Bifidobacterium;
Bactérias
Enzimas
Degradação de:
Formação de:
lipase
Lipídeos e ácidos
graxos
Ácidos graxos e glicerol
Bacteroides, Clostridium,
Butyrivibrio, Lactobacillus,
Fusobacterium, Selenomonas,
Streptococcus, Proteus,
Peptococcus e Bacillus
protasses
Proteínas e
aminoácidos
Aminoácidos,
peptídeos
Clotridium, Streptococcus,
Eubacterium e Acetivibrio
amilases
Polissacarideos e
açúcares menores
Monosacarídeos.
glicose
Clostridium, Microcossus e
Staphylococcus
Grupos microbianos envolvidos na DA
- Bactérias acetogênicas: grupo intermediário que produz substrato
para as metanogênicas. Metabolizam os compostos da hidrólise e
acidogênese;
Clostridium glycolicum
é uma bactéria gram- positiva , haste central para
a forma de esporo subterminal com flagelos
uniformemente distribuídas em torno do corpo .
Hunger et al., 2014.
Grupos microbianos envolvidos na DA
- Bactérias metanogênicas: bactérias anaeróbicas estritas, de
necessidades nutricionais simples, que não necessitam de
aminoácidos ou peptídeos.
Gêneros:
Methanobacterium,
Methanospirillum,
Methanobrevibacter, Methanosarcina e Methanotrix (methanosaeta).
Obs.: A matéria a fermentar deve ter uma relação carbono/nitrogênio (C/N) compreendido
entre 30 e 35.
Acima deste valor, as bactérias não tem possibilidade de utilizar todo o carbono
disponível;
Abaixo deste valor, pode-se ter o aumento da quantidade de derivados de amônia e atingir
limites da toxicidade.
Gerardi, 2003.
Grupos microbianos envolvidos na DA
Methanobacterium palustre
Methanobrevibacter smithii
National Research Council
Canada, In Pena, S. 2007.
Cheng et. al., 2009
Methanobacterium thermoautotrophicus
Zeikus and Wolfe, 1972
Grupos microbianos envolvidos na DA
• Bactérias sulforedutoras: grupo versátil de organismos capazes
de utilizar vários substratos. São anaeróbias estritas e podem ser
divididas em dois grupos:
– Grupo 1 - Oxidam seus substratos de forma incompleta até o acetato.
Gêneros: Desulfobulbus, Desulfomonase a maioria das espécies dos gêneros
Desulfotomaculume Desulfovibrio;
– Grupo 2 - Oxidam seus substratos completamente até o gás carbônico.
Gêneros: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium e
Desulfonema.
Relembrando: Diversidade das bactérias
• FONTE DE ENERGIA:
– Luz: fazem fotossíntese (usam energia solar);
– Compostos químicos: bactérias quimiotróficas;
– Compostos inorgânicos: litotróficas;
– Compostos orgânicos: organotróficas;
• FONTE DE CARBONO:
– Autotróficas: usam apenas CO2;
– Heterotróficas: obtém seus átomos de carbono de
moléculas orgânicas do ambiente (ex. açúcares);
Relembrando: Diversidade das bactérias
• RESPIRAÇÃO:
– Aeróbicas
obrigatórias
(usam
O2
e
não
realizam
fermentação);
– Anaeróbicas
obrigatórias
restritas
(respiração
por
fermentação, são mortas pelo O2);
– Anaeróbicas obrigatórias aerotolerantes (sobrevivem na
presença de O2 mas não se duplicam);
– Anaeróbicas facultativas (tanto fermentam quanto respiram
O2);
Vantagens da Digestão anaeróbicas
• Produção de gás;
• Produção de fertilizantes;
• Controle da poluição;
• Redução de patógenos;
• Produz energia;
• Biodigestores anaeróbicos promovem a redução significativa
do número de vírus, bactérias, fungos e vermes patogênicos.
Vantagens da Digestão anaeróbicas
• Redução relativa de coliformes fecais por mililitros em
sistemas de digestão aeróbica e anaeróbica monitorados
regularmente durante um ano:
Digestão anaeróbica
Influente Efluente Redução %
3.9x104
1.1x104
88.4
Digestão aeróbica
Influente Efluente Redução %
4.86x104 1.23x104
75
Stanford et al, 1980.
Indicadores de sanitização
Coliformes
Totais
Contagem de placas
heterotróficas (HPC)
Fagos bacterianos
Fagos somáticos
FRNA phagos
B. Fragilis phages
Coliformes
Fecais
Indicadores
Esporos
Bacterianos
Estreptococos
fecais
Bactéria anaeróbica
Clostridium
Bifidobacteria
Indicadores
Químicos
Bitton, 2005.
Indicadores de sanitização
Coliformes
Totais
Bacilos gram-negativos, aeróbicos ou
anaeróbios facultativos, não formadores de
esporos, capazes de crescer na presença de
sais biliares, fermentam a lactose com
produção de aldeídos, ácido e gás a 35 °C em
24-48h.
Indicadores
O grupo inclui os seguintes gêneros: Escherichia sp., Citrobacter
sp., Enterobacter sp. e Klebisiela sp.
Coliformes totais indicam poluição, associado ao risco da
presença de organismos patogênicos. Estão presentes no trato
intestinal, no solo, na água, etc. Indica falha no tratamento ou
distribuição de água.
Bitton, 2005.
Indicadores de sanitização
Fecais ou termotolerantes,
são
capazes
de
se
desenvolver e fermentar a
lactose com produção de
ácido e gás à temperatura de
44.5 °C em 24 h.
Coliformes
Fecais
O principal componente
deste grupo é Escherichia
coli, sendo que alguns
coliformes
do
gênero
Klebisiela
também
apresentam essa capacidade.
Indicadores
Coliformes termotolerantes são indicadores de poluição fecal,
pois estão presentes no trato intestinal de animais de sangue
quente, sendo eliminadas em grandes números pelas fezes.
Bitton, 2005.
Indicadores de sanitização
Coliformes
Totais
Contagem de placas
heterotróficas (HPC)
Fagos bacterianos
Fagos somáticos
FRNA phagos
B. Fragilis phages
Coliformes
Fecais
Indicadores
Esporos
Bacterianos
Estreptococos
fecais
Bactéria anaeróbica
Clostridium
Bifidobacteria
Indicadores
Químicos
Bitton, 2005
Atividades – 1° Estágio
• Técnicas de isolamento de microrganismos;
– Bactérias Fermentativas (Viviane, Bruna);
– Bactérias Acetogênicas (Germano,...);
– Bactérias Metanogênicas (Willy, Marcílio).
• Indicadores de Sanitização:
– Contagem de placas heterotróficas (HPC) (Deydeby);
– Fagos bacterianos, fagos somáticos, FRNA phagos e B.
Fragilis phages;
– Esporos Bacterianos (Tiane);
– Indicadores Químicos (Vitória, Eduardo);
– Bactéria anaeróbica Clostridium Bifidobacteria (Nathalia).
Referências
•
Bitton, G. Wastewater Microbiology. 3ed. John Wiley & Sons, Inc. 765p, 2005.
•
Stafford, D. A., Hawkes, e Horton, R. Methane Production from Waste Organic
Matter. CRC Press, Inc. 285p, 1980.
•
Gerardi, M. H. The Microbiology of Anaerobic Digesters. John Wiley & Sons, Inc.
188p. 2003.
•
Hunger, Sindy, et al. "Trophic Links between the Acetogen Clostridium glycolicum
KHa and the Fermentative Anaerobe Bacteroides xylanolyticus KHb, Isolated from
Hawaiian Forest Soil." Applied and Environmental Biology 77.17 (2011): 6281-85.
Web. 21 Apr. 2014.