- Engenharia Química-UFCG
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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.
