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2 Hydroxy-1,4-naphthoquinone (Lawsone) as a redox catalyst for the improvement of the alkaline pretreatment of sugarcane bagasse.
(2021) Barreto, Elisa da Silva; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Pereira, Márcio César; Pasquini, Daniel; Guimarães, Valéria dos Santos; Gurgel, Leandro Vinícius Alves
This study evaluated the use of a new redox catalyst (2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, HNQ) in order to contribute to the preservation of the carbohydrate fraction and to increase delignification of sugarcane bagasse (SB) subjected to soda pretreatment, without inhibiting enzyme activity during saccharification. The effects of HNQ were compared to the well-known redox catalyst anthraquinone (AQ). A 25 1 fractional design and a 22 central composite design were used for optimization of the soda-HNQ pretreatment of SB. The use of HNQ promoted preservation of 76.4% cellulose and 86.2% hemicelluloses, as well as 86.1% delignification of raw SB, showing a superior performance than AQ. The optimized pretreatment conditions were 150 °C, 60 min, 15% (w w−1 ) NaOH, 0.4% (w w−1 ) HNQ, and a liquid-to-solid ratio of 9.6 mL g−1 . Saccharification of SB pretreated by soda HNQ yielded higher overall glucose (74.0%) and xylose (74.3%) yields compared to SB pretreated by AQ (64.9% glucose, 67.3% xylose).
Aditivo dual para matrizes de cimento Portland.
(2022) Carvalho, Victor Rezende; Peixoto, Ricardo André Fiorotti; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Peixoto, Ricardo André Fiorotti; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Carvalho, José Maria Franco de; Silva, Keoma Defáveri do Carmo e
A escória de aciaria é um resíduo da indústria siderúrgica que pode ser utilizado como adição mineral, atuando na melhoria das propriedades mecânicas e físicas de matrizes cimentícias. O bagaço de cana-de-açúcar, por outro lado, é um resíduo da indústria sucroalcooleira do qual pode ser extraída a lignina, um polímero natural que apresenta propriedades plastificantes quando adicionado em concretos e argamassas. Nesse sentido, este trabalho propõe a elaboração de um Aditivo Dual (AD), a partir da incorporação de escória de aciaria e aditivo à base de lignina em matrizes de cimento Portland. Resíduos de diferentes etapas do pós-processamento de uma escória de aciaria LD foram beneficiados e transformados em powders LD. Licores residuais à base de lignina foram avaliados como aditivos plastificantes. Os licores foram extraídos do bagaço de cana-de-açúcar pelo pré-tratamento Organosolv utilizando diferentes teores de água. Após caracterização dos materiais, foram definidos um powder LD e um aditivo à base de lignina para a produção dos ADs. As proporções de aditivo e powder LD nos ADs foram definidas por duas estratégias de dosagem, que deram origem aos aditivos AD1 (40% em massa de powder LD e 60% de aditivo) e AD2 (50% em massa de cada material). Por fim, matrizes de cimento não aditivadas (REF) e matrizes contendo 5, 10 e 15% de AD1, AD2 e sílica em suspensão comercial (SS) em relação à massa de cimento foram avaliadas nos estados fresco e endurecido. Os resultados obtidos no estado fresco indicaram que todas as dosagens de AD1 e AD2 promoveram aceleração do tempo inicial e retardo significativo do tempo final de pega. Ainda, o maior teor de aditivo à base de lignina no AD1 favoreceu o seu desempenho plastificante. Na dosagem de 15%, o AD1 promoveu um espalhamento de 210,3 mm, enquanto o AD2 promoveu um espalhamento de 190,1 mm no ensaio de índice de consistência. A dosagem de 15% de SS promoveu um espalhamento de 166,1 mm e a matriz REF apresentou um espalhamento mínimo (120 mm). No estado endurecido, todas as dosagens de AD1 e AD2 contribuíram para o incremento de resistência à compressão em relação à matriz REF. Os acréscimos de resistência observados aos 56 dias foram de até 29% para as argamassas contendo AD1 e 34% para as argamassas contendo AD2. Verificou-se ainda que todas as dosagens de AD1 e AD2 promoveram um refinamento significativo da estrutura de poros das matrizes de cimento. O presente trabalho oferece novas possibilidades para o uso de resíduos industriais em compósitos à base de cimento e contribui para o desenvolvimento sustentável, tecnológico e econômico na construção civil e na indústria.
Alternatives for the energy reuse of coffee husk waste : an LCA based carbon footprint analysis.
(2022) Fernandes, Matheus Augusto de Oliveira; Fonseca, Alberto de Freitas Castro; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Fonseca, Alberto de Freitas Castro; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de; Herrera Adarme, Oscar Fernando
As the biggest coffee producer in the world, one of the most readily available renewable energy sources in Brazil is biomass, more specifically, coffee husks, the solid waste of coffee processing. However, this resource is still little used and there is not enough information in the literature about its environmental aspects. Due to the amount of this residue, the sustainable management of such residues is a growing concern. Emerging options for sustainable management of coffee husks include the anaerobic digestion and energy generation using agricultural waste as feedstock, and several studies have shown the great potential benefits, such as reducing the impacts of waste management, decreasing greenhouse gas (GHG) emissions and helping the country achieve its goals in the Paris Agreement. Life Cycle Assessment (LCA) is an environmental tool widely used around the world to assess environmental impacts in value chains. When an LCA study quantifies the direct and indirect GHG emissions of a product, its carbon footprint (CF) is calculated. This work compared coffee husk landfilling to two energy generation scenarios using anaerobic digestion, one of them including a hydrothermal hydrolysis pre-treatment of the husks. The results point to the fact that the main benefit of using anaerobic digestion to produce electricity is to avoid the impacts from the current management route of coffee husks, as the CF results for landfilling were over 13 times higher than the other scenarios. The emissions from digestate management, especially N2O volatilization on the soil, was the biggest contributor to the carbon footprint, with over 34% of results. On the other hand, the use of digestate to replace chemical fertilizers affected the environmental performance positively, in terms of avoided impacts. The carbon footprint of the kWh generated in the pre-treated scenario is 72% lower than the crude coffee husks, but it is still higher than the footprint of the Brazilian grid. When compared to other types of energy, the inclusion of the pre-treatment was a determining factor to render the bioenergy from coffee husks more interesting from a GHG emissions perspective, but renewable sources such as wind and hydro still have a lower CF. However, in countries such as in Indonesia and Vietnam, where the grid is more heavily based on fossil fuels, coffee husks, especially with pre-treatment, showed potential mitigate the carbon footprint of energy generation.
Anaerobic co-digestion of coffee husks and microalgal biomass after thermal hydrolysis.
(2018) Passos, Fabiana; Cordeiro, Paulo Henrique de Miranda; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de; Elvira, Sara Isabel Perez
Residual coffee husks after seed processing may be better profited if bioconverted into energy through anaerobic digestion. This process may be improved by implementing a pretreatment step and by co-digesting the coffee husks with a more liquid biomass. In this context, this study aimed at evaluating the anaerobic co-digestion of coffee husks with microalgal biomass. For this, both substrates were pretreated separately and in a mixture for attaining 15% of total solids (TS), which was demonstrated to be the minimum solid content for pretreatment of coffee husks. The results showed that the anaerobic co-digestion presented a synergistic effect, leading to 17% higher methane yield compared to the theoretical value of both substrates biodegraded separately. Furthermore, thermal hydrolysis pretreatment increased coffee husks anaerobic biodegradability. For co-digestion trials, the highest values were reached for pretreatment at 120 °C for 60 min, which led to 196 mLCH4/gVS and maximum methane production rate of 0.38 d−1.
Anaerobic degradation of azo dye Drimaren blue HFRL in UASB reactor in the presence of yeast extract a source of carbon and redox mediator.
(2011) Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de; Silva, Silvana de Queiroz; Corrêa, Cássia Aparecida Rabelo
This paper presents results on anaerobic degradation of the azo dye blue HFRL in a bench scale Upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor operated at ambient temperature. The results show that the addition of yeast extract (500 mg/L) increased color removal (P\0.05) from 62 to 93% despite the low chemical oxygen demand (COD) removal (*35%) which happened due to volatile fatty acids (VFA) accumulation. There were no differences in color removal (*91%) when yeast extract (500 mg/L) was used in the presence or absence of glucose, suggesting that yeast extract acted as source of redox mediator (riboflavin) and carbon. The specific rate of dye removal increased along the operational phases and depended on the presence of yeast extract, suggesting progressive biomass acclimatization. Analysis of bacterial diversity by Polymerase Chain Reaction-Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (PCR–DGGE) method showed there was biomass selection along the bioreactor operation and no evidence of azo dye degrading bacteria predominance. This strengthens the hypothesis that color removal happens extracellularly by the reduction of azo bond by reduced redox mediators, such as riboflavin, which is present in high amount in the yeast extract.
Anaerobic digestion of hemicellulose hydrolysate produced after hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse in UASB reactor.
(2017) Ribeiro, Fernanda Resende; Passos, Fabiana; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de
In the context of a sugarcane biorefinery, sugarcane bagasse produced may be pretreated generating a solid and liquid fraction. The solid fractionmay be used for 2G bioethanol production,while the liquid fraction may be used to produce biogas through anaerobic digestion. The aimof this study consisted in evaluating the anaerobic digestion performance of hemicellulose hydrolysate produced after hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse. For this, hydrothermal pretreatmentwas assessed in a continuous upflowanaerobic sludge blanket (UASB) reactor operated at a hydraulic retention time (HRT) of 18.4 h. Process performance was investigated by varying the dilution of sugarcane bagasse hydrolysate with a solution containing xylose and the inlet organic loading rate (OLR). Experimental data showed that an increase in the proportion of hydrolysate in the feed resulted in better process performance for steps using 50% and 100% of real substrate. The best performance condition was achieved when increasing the organic loading rate (OLR) from 1.2 to 2.4 g COD/L·d, with an organic matter removal of 85.7%. During this period, the methane yield estimated by the COD removal would be 270 L CH4/kg COD.Nonetheless,when further increasing the OLR to 4.8 g COD/L·d, the CODremoval decreased to 74%, together with an increase in effluent concentrations of VFA (0.80 g COD/L) and furans (115.3 mg/L), which might have inhibited the process performance. On the whole, the results showed that anaerobic digestion of sugarcane bagasse hydrolysate was feasible and may improve the net energy generation in a bioethanol plant, while enabling utilization of the surplus sugarcane bagasse in a sustainable manner.
Análise de ciclo de vida de processos de digestão anaeróbia da cama de aviário.
(2022) Carneiro, Gabriel Neme Barbosa Veisac; Aquino, Sergio Francisco de; Herrera Adarme, Oscar Fernando; Aquino, Sergio Francisco de; Volpi, Maria Paula Cardeal; Baeta, Bruno Eduardo Lobo
O presente trabalho buscou analisar o ciclo de vida de processos de digestão anaeróbia (DA) de cama de aviário (CA) com e sem seu prévio pré-tratamento térmico de forma a comparar com a técnica de manejo comumente utilizada (descarte no solo) para este resíduo. Para tanto foram avaliadas, por meio do método ReCiPe Midpoint (H) as categorias de impacto ambiental emissões de gases de efeito estufa, eutrofização e acidificação do solo. Foram construídos, a partir de dados primários fornecidos por empresa parceira, inventários de ciclo de vida para três formas de manejo do resíduo avícola: i) descarte da CA in natura no solo (C1), ii) DA da CA in natura (C2) e iii) pré-tratamento da CA antes de sua DA (C3). Também foram utilizados dados de DA de CA otimizados por Paranhos (2021), que empregou CA mais estabilizada (coletada após seis ciclos produtivos de aves – (CA-6U)) empregada para os cálculos das três formas de manejo propostas e correspondente à realidade do cenário avícola brasileiro; e por Oliveira (2022) que empregou CA sintética e fresca (mistura de palha de arroz + excretas na proporção de 1:5), simulando o cenário de remoção e disposição da cama após um único ciclo produtivo de aves (CA-1U), que foi utilizada para os cenários de manejo C2 e C3 propostos. Os resultados obtidos indicam que o descarte da cama de aviário in natura diretamente no solo (cenário C1) levaria à emissão de gases de efeito estufa na proporção de 187,5 T CO2eq/T CA para ambas as amostras de CA (estabilizada ou fresca) quando desconsideradas as emissões de amônia. No cenário C2 as emissões são menores, e estimadas em 131,25 T CO2eq/T CA para a cama mais estabilizada (removida após 6 ciclos produtivos) e 131,35 T CO2eq/T CA para a cama fresca (removida após 1 ciclo produtivo). Por sua vez, no cenário C3, em que se emprega a DA da CA após seu pré-tratamento hidrotérmico estima-se emissões de 131,38 T CO2eq/T CA para a cama estabilizada e de 131,59 T CO2eq/T CA para a cama fresca. Percebe-se, portanto, redução média de 30% nas emissões de GEE’s dos cenários C2 e C3 em relação ao cenário base. Diante da realidade avícola brasileira comparou-se também a energia térmica produzida nos cenários C2 e C3 em substituição a lenha utilizada pela empresa parceira no conforto térmico das aves. Estima-se que a geração de energia térmica a partir da queima do metano gerado na DA da CA estabilizada pode substituir 48% da lenha no cenário C2 ao passo que no cenário C3, além de substituir toda a lenha consumida, o metano adicional produzido na DA da CA pré-tratada termicamente geraria um excedente de 120%. Com relação aos potenciais de acidificação e eutrofização estima-se que para o cenário C1, considerando a cama mais estabilizada, as emissões são elevadas (1989,12 KgeqSO2/Ton CA e 794,64 KgeqPO4 3-/Ton CA, respectivamente) ao se comparar com os percentuais de redução obtidos para os cenários C2 e C3 que foram de mesma magnitude (98,4% e 99,2%). Conclui-se portanto que a digestão anaeróbia da CA in natura, ou seja, sem pré-tratamento térmico, como melhor alternativa dos pontos de vista técnico e ambiental.
Application of cellulose-immobilized riboflavin as a redox mediator for anaerobic degradation of a model azo dye Remazol Golden Yellow RNL.
(2015) Martins, Luide Rodrigo; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Aquino, Sergio Francisco de; Gil, Laurent Frédéric
This study described the anaerobic degradation of the azo dye Remazol Golden Yellow RNL (RGY-RNL) using cellulose-immobilized riboflavin (MC 3) as the redox mediator. This new solid support containing immobilized riboflavin was synthesized from succinylated mercerized cellulose, and was characterized by elemental analysis, FTIR, and solid-state 13C NMR. MC 3 was resistant to pH 2–9, and anaerobic degradation of RGY-RNL using MC 3 in the presence of anaerobic sludge yielded a zero order degradation rate constant (k0,obs) equal to 0.189 mg/L h, which was 56% better than experiments carried out without a redox mediator. Color removal efficiency after 48 h of degradation averaged 89.4% in experiments with MC 3 and 72% without the addition of a redox mediator. These results showed that MC 3 can be used to immobilize redox mediators, allowing reduction of wastewater treatment costs
Application of residual yeast as a source of redox mediators for the anaerobic decolorization of a model azo dye.
(2016) Victral, Davi Madureira; Aquino, Sergio Francisco de; Silva, Silvana de Queiroz; Baeta, Bruno Eduardo Lobo
This work investigated the anaerobic degradation of the model azo dye Remazol Yellow Gold RNL in batch reactors using discharged residual yeast as the source of redox mediators (RM). Two yeast lysis methods (mechanical lysis and sonication) were tested and optimized to produce a riboflavin-rich yeast lysate. The reactors were operated at 25 oC for 48 hours, evaluating the effect of external carbon source (glucose) and RM (from residual yeast lysate and commercial yeast extract) addition. The results showed that color removal efficiencies for the batch reactors fed with commercial yeast extract reached 90%, whereas those fed with discharged yeast lysate reached 80% (sonication) and 73% (mechanical lysis). These values were statistically higher when compared to reactors operating without RM (48 to 66%), demonstrating that yeast extract enhances azo dye degradation in anaerobic conditions and that the residual yeast is a cheap and alternative source of carbon and of the RM riboflavin.
Aproveitamento energético a partir da digestão anaeróbia de hidrolisado hemicelulósico gerado pelo pré-tratamento por auto-hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar considerando o contexto da biorrefinaria.
(2016) Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Aquino, Sergio Francisco de; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Zait, Marcelo; Rocha, George Jackson Moraes; Silva, Silvana de Queiroz; Leão, Versiane Albis
Este trabalho teve como principal objetivo otimizar a partir de um planejamento experimental as variáveis operacionais temperatura (T), tempo (t) e razão sólido-líquido (RSL) para a auto-hidrólise (AH) do bagaço de cana-de-açúcar (BC), visando produzir um hidrolisado hemicelulósico (HH) com características propícias para digestão anaeróbia (DA) e produção bioquímica de metano (PBM). Os resultados indicaram que os HH gerados em condições severas de AH com maior solubilização de hemiceluloses e com maiores teores de açúcares, C5-C6, não foram os mais adequados para produção de metano. Provavelmente isto tenha ocorrido pelo acúmulo de compostos tóxicos e/ou recalcitrantes (furanos e fragmentos de lignina). Condições mais moderadas (170°C, 35 min e RSL = 0,33 g BC.mL H2O-1) geraram um HH com maior PBM (0,79 Nm3 CH4. kg COT-1), o que foi confirmado pela ferramenta estatística de desejabilidade. O HH obtido a partir da condição DC2 gerada pelo modelo de desejabilidade (178,2°C, 43,6 min e RSL = 0,24 g BC .ml H2O-1) apresentou as menores concentrações de compostos tóxicos, o que culminou com menor acúmulo de ácidos graxos voláteis (AGVs) e maiores PBM (1,56 Nm3 CH4. g COT-1) durante a DA. O modelo de Gompertz foi usado para ajustar os dados de produção de CH4 durante a DA. O melhor HH apresentou uma taxa máxima de produção de metano (RCH4) de 2,6 mmol CH4.d-1. Além disso, a digestão anaeróbia foi realizada em dois estágios (acidogênico-metanogênico, DA-2S), em reatores descontínuos, no qual o estágio acidogênico atuou como uma fase prévia de hidrólise e biodetoxificação. Isto permitiu a utilização de condições mais severas de pré-tratamento do BC por AH, T = 178,6°C e t = 55 min (DC3) e T = 182,9°C e t = 40,71 min (DC4), que, resultaram em maior extração de hemiceluloses do BC (DC3 = 77,40% e DC4 = 73,90%), o que consequentemente melhorou o balanço energético líquido do processo proposto gerando uma energia livre de 3,15 MJ.kg BC-1 a partir da combustão do biogás gerado na digestão anaeróbia em dois estágios do hidrolisado hemicelulósico.
Avaliação da biometanização do hidrolisado hemicelulósico obtido pela auto-hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar em sistemas anaeróbios de duplo estágio e um estágio na presença de carvão ativado em pó.
(2018) Cordeiro, Paulo Henrique de Miranda; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de; Luna Wandurraga, Héctor Javier; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Aquino, Sergio Francisco de
O presente trabalho teve como principais objetivos avaliar o uso de hidrolisado hemicelulósico (HH) obtido a partir do pré-tratamento por auto-hidrólise (AH) do bagaço de cana-de-açúcar na digestão anaeróbia (DA) em dois estágios e em um estágio, além do uso de carvão ativado em pó (CAP) como estratégia para melhorar a performance da digestão anaeróbia de HH. As condições da AH utilizadas foram 183 °C, 40,7 min e 4 mL g-1 de razão líquido-sólido (RLS). O HH obtido foi alimentado continuamente em dois sistemas, um controle, constituído de um reator anaeróbio escalonado de fluxo ascendente (R1) e operado com um tempo de detenção hidráulica (TDH) de 18,4 h, e um sistema de dois estágios composto por um reator de leito fixo e fluxo ascendente (RAcLF) operado em um TDH de 8,0 h, seguido de um reator metanogênico (R2) idêntico ao utilizado no sistema controle, com um TDH de 18,4 h. A influência da variação da carga orgânica volumétrica (COV) nos sistemas em um estágio com e sem carvão ativado, e no duplo estágio, em relação a conversão de demanda química de oxigênio (DQO) e produção de CH4 foram avaliados. Os ensaios hidrodinâmicos revelaram que ambos os reatores acidogênico e metanogênicos se comportaram como tanques em série de mistura completa (CSTR). Os resultados obtidos durante a operação dos reatores mostraram que em COV muito baixas (1,31 kg DQO m-3d-1), não há diferenças significativas de biodegradabilidade entre R1 e R2, com valores de 304,21 e 304,82 NmL CH4 gDQOrem-1, respectivamente. Com o aumento da COV e a consequente elevação na concentração dos furanos do HH observou-se um aumento da concentração de ácidos graxos voláteis (AGVs) durante a operação e uma queda muito mais acentuada na eficiência de remoção de DQO para o reator R1 (45,1%) quando comparado ao R2 (23,7%). Além disso, o sistema em dois estágios (RAcLF + R1) apresentou a maior eficiência de remoção de DQO global (44,1%), quando comparada ao sistema único estágio com e sem carvão ativado, respectivamente, R1 (18,4%) e R1 + CAP (38,9%). O uso do CAP se mostrou uma alternativa interessante, visto que a biodegradabilidade de R1 + CAP (244,38 NmL CH4 gDQOrem-1) foi maior que a de R2 (232,72 NmL CH4 gDQOrem-1,), considerando a operação dos sistemas com uma COV aplicada de 3,91 kg DQO m-3d-1. Apesar da maior produção de metano ter ocorrido com a COV de 2,61 kg DQO m-3d-1 em R1 (900,2 NmL d-1), a operação com R1 + CAP (837,5 NmL d-1) parece ser uma alternativa eficaz para melhorar a performance da digestão anaeróbia utilizando hidrolisados hemicelulósicos contendo compostos inibidores como furanos.
Avaliação da co-digestão anaeróbia como alternativa para valorização de resíduos do processamento de mandioca e dejetos de gado leiteiro.
(2022) Martins, Raissa Machado Maluf; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Herrera Adarme, Oscar Fernando; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Herrera Adarme, Oscar Fernando; Passos, Fabiana Lopes Del Rei; Aquino, Sergio Francisco de
No presente estudo realizou-se a co-digestão anaeróbia de três diferentes substratos para a produção de biogás. Tal processo tem por objetivo mitigar dois dos principais problemas ambientais que enfrentamos atualmente: os malefícios desencadeados na obtenção de energia de fontes não renováveis e no descarte inadequado de resíduos e efluentes, principalmente pela agropecuária. Os substratos utilizados foram a manipueira, o bagaço de mandioca e o esterco de gado leiteiro. A manipueira e o bagaço são gerados no processamento da mandioca, já o esterco de gado leiteiro resulta da criação do gado leiteiro. Ambos os setores são encontrados no sul do estado de Minas Gerais. Para a determinação das proporções de mistura experimentais realizou-se um planejamento de mistura em função da massa total de substratos no reator, a digestão ocorreu em batelada, à 35°C. Os melhores rendimentos de metano obtidos foram de 150,33 NmLCH4.gSV-1 (114,46 NmLCH4.gDQO-1 e 169,59 mLCH4.gSV-1 ) para a condição contendo 100% manipueira (relação C/N = 14,04), 130,43 NmLCH4.gSV-1 (93,84 NmLCH4.gDQO-1 e 147,13 mLCH4.gSV-1 ), para a condição contendo 66,7% de esterco, 16,7% de bagaço e 16,7% de manipueira (relação C/N = 34,84) e 71,25 NmLCH4.gSV-1 (48,57 N mLCH4.gDQO-1 e 80,38 mLCH4.gSV-1 ) para a condição contendo 100% de esterco (relação C/N = 17,28). Condições contendo uma proporção de bagaço elevada (acima de 33%) apresentaram relações C/N muito elevadas (acima de 52) desencadeando pH’s abaixo de 5,44, elevadas produções de ácidos, com predominância de acético e butírico e falha no processo. Foram realizadas as modelagens cinéticas e a avaliação energética das condições que forneceram os melhores rendimentos de metano acumulado. Ambas as condições obtiveram os melhores ajustes cinéticos no modelo de multi estágios de Groot, provavelmente devido à composição mista dos substratos e ao formato sigmoidal da curva que melhor descreve as fases de crescimento dos microrganismos. A condição de codigestão contendo maior proporção de esterco (66,7%) apresentou o maior rendimento energético (452,86 MJ.tonsubstrato-1 ), sendo capaz de suprir 20% da demanda energética de uma indústria de processamento de mandioca.
Avaliação da condição nutricional e do tipo de inóculo na geração de bioprodutos a partir da fermentação de glicerol residual.
(2017) Silva, Flaviane Cristina; Silva, Silvana de Queiroz; Aquino, Sergio Francisco de; Silva, Silvana de Queiroz; Aquino, Sergio Francisco de; Baeta, Bruno Eduardo Lobo
O aumento da produção de glicerol devido à alta demanda de biodiesel tornou este subproduto atraente para a pesquisa. Pode ser usado como substrato em bioprocessos e, quando associado com extrato de levedura residual, pode reduzir os custos com os meios de cultura. Tanto o biohidrogênio quanto os metabólitos líquidos (etanol, 1,3-PDO, ácidos lático, succínico e outros) são importantes produtos do metabolismo fermentativo sendo industrialmente importantes como combustível ou compostos químicos. O objetivo deste trabalho foi avaliar a geração de bioprodutos a partir da fermentação do glicerol residual por culturas bacterianas pura (Enterobacter), mista (lodo UASB) e bioaumentada (Enterobacter + lodo UASB) em diferentes condições nutricionais. A comparação foi realizada em sete meios nutrientes em diferentes concentrações de glicerol bruto (15, 21, 33, 40 e 55 g / L) para a Enterobacter, após análise do processo, as demais culturas foram experimentadas em dois dos 7 meios de cultivo e em três concentrações de substrato. Os máximos rendimentos de H2 e etanol, 0,97 e 0,75 mol / mol glicerol consumido, respectivamente, foram obtidos no ensaio com cultura pura (33 g/L de glicerol, M7). Para 1,3-propanodiol, a concentração máxima foi de 8,86 g/L com cultura mista (33 g/L de glicerol, M4). Esta pesquisa mostrou a possibilidade de produzir bioprodutos a partir da fermentação de glicerol residual sem a adição de um meio mineral complexo aplicando somente uma solução tampão enriquecida com células de levedura lisada pré-tratadas.
Avaliação da fermentação de glicerol por Enterobacter sp. para a produção de hidrogênio e etanol.
(2019) Zorel, José Augusto; Silva, Silvana de Queiroz; Santos, Alexandre Soares dos; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Moreira, Leandro Marcio; Coelho, Maria Alice Zarur; Silva, Silvana de Queiroz
A despeito da imagem de sustentabilidade que acompanha o biodiesel, o balanço de massa de seu ciclo de vida ainda está longe de ser fechado, de modo que, com a expansão do biodiesel e em dependência de fatores do mercado, o glicerol pode ser considerado como coproduto ou resíduo. Portanto, a expansão sustentável das indústrias de biodiesel depende do tratamento do glicerol. Nesse sentido, a fermentação escura pode aliar o tratamento do glicerol à produção de monômeros, energia e biocombustíveis (como H2 e etanol), aumentando a gama de produtos das indústrias de biodiesel. No entanto, esse processo ainda é dificultado pela presença de impurezas e pelas altas concentrações necessárias para conferir aplicabilidade ao processo. Desse modo, esse trabalho avaliou as alterações no metabolismo fermentativo de dois isolados de Enterobacter sp., 3R e 9R, em resposta a variadas concentrações iniciais de glicerol (5, 10 e 40 gL-1; G5, G10 e G40, respectivamente). Apresentando-se como mais promissor, o isolado 9R foi avaliado quanto aos efeitos de impurezas, pH, oxigenação e quantidade de células sobre a bioconversão do glicerol. Os resultados desses testes serviram como base para definir os fatores pH, quantidade de células e concentração de glicerol como os mais influentes sobre o desempenho do isolado. Em seguida, foi realizada a busca dos melhores valores para esses parâmetros com uso da matriz de Doehlert e da função de desejabilidade. Desse modo, foram definidas três configurações visando diferentes objetivos: HEPG (maior consumo de glicerol e produção simultânea de H2, etanol e 1,3-PDO; sendo os valores ótimos: pH 7,85; 27,5 GI; 0,009 Inóc.); PG (maior consumo de glicerol e produção de 1,3-PDO; sendo os valores ótimos: pH 7,70; 41,0 GI; 0,009 Inóc.); e HEG (maior consumo de glicerol e produção simultânea de H2 e etanol; sendo os valores ótimos: pH 8,00; 23,0 GI; 0,009 Inóc.). Os resultados dos ensaios determinados pela função de desejabilidade ficaram de acordo com o estipulado, sendo obtidos os valores máximos de 59,4 mmol L-1 para a produção de H2 e 7,6 gL-1 (164,28 mmolL-1) para a produção de etanol pela configuração HEG. O consumo de glicerol também foi otimizado, alcançando na condição HEG o valor de 22,5 gL-1 (98,0 % do glicerol adicionado) em menos 24 horas. Essa condição possibilitou a obtenção de 0,42 L de etanol e 59,04 L H2 por kg de glicerol consumido. Espera-se que os resultados obtidos nesse trabalho sirvam como base para os próximos estudos desenvolvidos por nosso grupo no campo de bioconversão do glicerol.
Avaliação da presença de microcontaminantes de preocupação emergente, por GC-MS, e de elementos inorgânicos, por TXRF, nas águas superficiais da Bacia do Rio Paraopeba/MG.
(2018) Corrêa, Joane Mariela Miari; Afonso, Robson José de Cássia Franco; Moreira, Renata Pereira Lopes; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Afonso, Robson José de Cássia Franco
A significativa diminuição do volume dos recursos hídricos e a constante poluição dos corpos d’águas por contaminantes orgânicos têm despertado a atenção para a necessidade de estudos dedicados à determinação destas substâncias, presentes no meio ambiente, e às alternativas de tratamento para remoção destes poluentes e recuperação dos sistemas afetados. Várias substâncias, frequentemente encontradas em baixas concentrações, são classificadas como microcontaminantes de preocupação emergente, devido às alterações que provocam no meio ambiente causando efeitos adversos para os seres vivos pela exposição contínua. Abrangem diversas classes de substâncias, tais como produtos farmacêuticos e de higiene pessoal, pesticicidas, herbicidas, nanomateriais, hormônios naturais e sintéticos. Os elementos inorgânicos também estão presentes em níveis elevados nas matrizes ambientais, representando potenciais riscos aos corpos hídricos, biota e saúde humana. Dessa forma, o presente trabalho buscou identificar e quantificar alguns microcontaminantes de preocupação emergente utilizando cromatografia gasosa acopladas à espectrometria de massas (GC-MS) e elementos inorgânicos por fluorescência de raios-X por reflexão total (TXRF) nas águas superficiais da Bacia do Rio Paraopeba-MG. As coletas das amostras foram realizadas em 4 campanhas, sendo 2 em período de chuva e 2 de estiagem. Foram selecionados 15 pontos de amostragem ao longo da bacia, assim, foi possível avaliar as variações sazonal e espacial dos compostos e observar a influência das diferentes atividades antropogênicas. Os 12 microcontaminantes de preocupação emergente selecionados foram: diclofenaco, ibuprofeno, naproxeno, paracetamol, genfibrozila, estrona, 17β-estradiol, 17α-etinilestradiol, estriol, bisfenol A, 4-nonilfenol, 4-octilfenol. Os 15 elementos inorgânicos foram: arsênio, bário, bromo, cálcio, chumbo, cobre, cromo, estrôncio, ferro, manganês, níquel, potássio, rubídio, titânio e zinco. A metodologia utilizada para a detecção destes compostos foi validada e aplicada em 60 amostras. Os procedimentos para a determinação dos compostos orgânicos envolveram filtração a vácuo seguida pela concentração e clean-up das amostras utilizando extração em fase sólida (SPE). Os extratos analisados por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa (GC-MS) foram previamente derivatizados com BSTFA: 1% TMCS, apresentando limites de quantificação para o método de 3,61 a 14,36 ng/L e valores de recuperação variaram de 46,11 a 107,15% para o nível mais baixo (10μg/L). As análises dos elementos inorgânicos foram realizadas por fluorescência de raios-X por reflexão total (TXRF). Os limites de quantificação do método foram de 4,47 a 111,63 µg/L. O microcontaminante de preocupação emergente de maior ocorrência foi o bisfenol A, detectado em 96,67% das amostras analisadas.Já os inorgânicos de maior incidência foram o cálcio e potássio encontrados em 100% das amostras. A ocorrência do maior número de microcontaminantes de preocupação emergente foi no período de menor índice pluviométrico, campanha 4. Os elementos inorgânicos tiveram maiores concentrações nas amostras coletadas no período das águas, campanha 1 e 2. Os dados obtidos foram tratados estatisticamente por análises multivariadas (PCA e HCA), sendo possível observar o perfil de contaminação das amostras coletadas e correlacioná-los com as influências antropogênicas, industriais e/ou naturais no processo de contaminação das águas superficiais da Bacia do Rio Paraopeba em Minas Gerais. Enfim, foi calculada uma estimativa da toxicidade de alguns microcontaminantes de preocupação emergente deste estudo.
Avaliação da remoção de antibióticos em águas naturais utilizando os processos de clarificação e adsorção.
(2017) Silva, Rafael Pereira da; Libânio, Marcelo; Aquino, Sergio Francisco de; Libânio, Marcelo; Moravia, Míriam Cristina Santos Amaral; Pereira, Renata de Oliveira; Baeta, Bruno Eduardo Lobo
Microcontaminantes de preocupação emergente tais como os antibióticos encontrados em águas superficiais e subterrâneas são possíveis causadores de risco ao meio ambiente e aos seres humanos. Nesse sentido, o principal objetivo desse estudo foi avaliar, em escala de bancada, a eficiência do tratamento por clarificação (coagulação, floculação e decantação), amplamente aplicado em estações de tratamento de água (ETAs) para consumo humano, associado ou não à presença de carvão ativado em pó (CAP) para a remoção dos antibióticos amoxicilina (AMX), cefalexina (CFX), norfloxacino (NOR) e tetraciclina (TET) em águas naturais fortificadas. Foram utilizados dois tipos de águas com características antagônicas (alta turbidez e baixa cor, bem como baixa turbidez e alta cor) e dois coagulantes primários (cloreto de polialumínio e sulfato ferroso clorado) para verificar a capacidade de eliminar tais microcontaminantes orgânicos da água bruta. Foi testada também a aplicação de dois CAPs de origens diferentes concomitantemente ao tratamento por clarificação, a fim de maximizar a eficiência do processo. Os resultados indicaram que em águas com maior concentração de carbono orgânico dissolvido o desempenho foi superior. O tratamento por clarificação mostrou-se pouco eficiente (eficiência mediana < 42%) para a remoção dos antibióticos, à exceção da tetraciclina que foi bem removida (eficiência > 80%). A aplicação dos CAPs em doses crescentes, usuais em ETAS, simultaneamente à aplicação dos coagulantes mostrou-se capaz de aumentar a remoção dos antibióticos, tornando-se assim uma importante etapa a ser anexada ao tratamento de água, a fim de garantir maior segurança sanitária.
Avaliação de impacto ambiental do processo de obtenção de compósito do tipo nanocarbonato de cálcio/lignina kraft a partir da captura de CO2.
(2022) Souza, Ana Paula Rodrigues de; Vaz Junior, Sílvio; Vaz Junior, Sílvio; Foleghatti, Marília Ieda da Silveira; Aquino, Sergio Francisco de; Baeta, Bruno Eduardo Lobo
O gás carbônico (CO2) ou dióxido de carbono, é um gás gerado tanto por fontes naturais quanto por fontes antrópicas, como a queima de combustíveis fósseis para a geração de energia e a agricultura. Na atualidade, ele é visto como um dos principais contribuintes para o aumento do efeito estufa, levando ao aquecimento global. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias de captura e uso deste gás é de grande importância para a mitigação dos gases do efeito estufa (GEE) e redução de seus efeitos ambientais negativos. Este estudo teve como objetivo apresentar a avaliação de ciclo de vida (ACV) da síntese de obtenção de nanocarbonatos a partir da captura química de CO2 do projeto Agricarbono. A ferramenta utilizada para execução da ACV foi o software SimaPro® que trabalha segundo os princípios da série de normas ISO 14044/2009. O principal objetivo dessa ACV foi mensurar as cargas ambientais interligadas com a síntese de obtenção de nanocarbonatos. Os resultados obtidos na análise de inventário, na avaliação de impacto ambiental e na interpretação dos resultados, identificaram a energia elétrica e outros processos de geração de energia como os maiores contribuintes em cargas ambientais para todas as categorias de impacto ambiental estudadas, apontando baixas ou nenhuma carga ambiental para os demais insumos.
Avaliação do pré-tratamento hidrotérmico da casca de café na hidrólise enzimática e produção de biogás.
(2019) Silva, Nayara Clarisse Soares; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baffi, Milla Alves; Aquino, Sergio Francisco de
Sabe-se que a biomassa lignocelulósica pode ser utilizada na produção de biocombustíveis como bioetanol e biogás. O Brasil destaca-se mundialmente por sua produção de café, sendo que, durante o beneficiamento dos grãos de café são geradas grandes quantidades de resíduos, como a casca. Entretanto, para um melhor aproveitamento energético desta biomassa lignocelulósica é importante adicionar uma etapa de pré-tratamento para tornar os açúcares fermentescíveis mais disponíveis, destacando-se o pré tratamento hidrotérmico.. Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o pré-tratamento hidrotérmico da casca de café, utilizando o planejamento experimental Box-Behnken, a melhor estratégia de utilização da casca de café como matéria prima para uma biorrefinaria lignocelulósica. Foram avaliadas 15 condições experimentais utilizando as variáveis independentes: temperatura (120 a 200°C), tempo (20 a 90 minutos) e razão líquido/sólido (5 a 10 mLg-1). Observou-se que nas condições com temperatura igual a 200 °C se obteve alta remoção de celulose, o que prejudicou o rendimento global do processo em relação à glicose recuperada visando a produção de etanol de segunda geração. Para obter um melhor rendimento no processo na hidrólise enzimática, foi gerada uma condição de desejabilidade visando a produção de etanol. Visando avaliar outras rotas de aproveitamento da biomassa, foram avaliadas a digestão anaeróbia (DA) de três condições de desejabilidade – CDB1 (120 °C, 20 min e 5 mL g-1), CDB2 (189 °C, 90 min e 5 mL g-1), CDB3 (200 °C, 61 min e 5 mL g-1). Além destas condições, realizou-se a DA do hidrolisado gerado na CDE. De maneira geral o pré-tratamento foi eficiente para aumentar a digestibilidade da biomassa. Além disso, vale ressaltar que a elevada concentração de compostos fenólicos interferiu negativamente na produção de metano, inibindo a produção na DA em estado sólido e semissólido da CDB3. A maior produção de metano em relação a DQO de entrada foi para a CDB3 em estado líquido. Por outro lado, a alta demanda energética do pré-tratamento não foi possível recuperar o gasto energético nesta condição. Desta forma, a condição que apresentou melhor rentabilidade econômica (R$ 150,00 ton de casca bruta-1) foi a CDE, utilizando a fração sólida para hidrolise enzimática visando a produção de etanol e o hidrolisado para produção de metano, adicionando ao sistema a combustão de 0,125 toneladas de casca bruta para suprir o déficit energético para pré tratar 1 tonelada de cascas destas condições.
Avaliação técnica e econômica da produção de biogás, energia e etanol celulósico em uma biorrefinaria virtual integrada alimentada com casca de café.
(2022) Faria, Marina Victal; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Rodrigues, Fábio de Ávila; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Rodrigues, Fábio de Ávila; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Herrera Adarme, Oscar Fernando
Uma alternativa para garantir a segurança energética mundial diante do aumento da demanda por energia e a eminente escassez das reservas de petróleo, e ainda reduzir a emissão de gases de efeito estufa, é a utilização dos biocombustíveis. O etanol, o biodiesel e o biometano apresentam-se como alternativas promissoras para o setor de transporte, devido à compatibilidade com os motores já existentes, principalmente quando são produzidos utilizando matérias-primas que não competem com alimentos, como mesmo rejeitos agrícolas e industriais. Todos os anos no Brasil são geradas aproximadamente 3 milhões de toneladas de casca de café (CC), um resíduo lignocelulósico que com potencial para produção de etanol de segunda geração (2G) devido à grande quantidade de carboidratos que constitui esta biomassa. Neste trabalho, avaliou-se a produção de etanol 2G e biogás produzido em uma biorrefinaria de casca de café a partir da simulação do processo no software SuperPro Desinger v.12, considerando três distintas condições de pré-tratamento PTH, variando-se o tempo, a temperatura e a severidade. Os resultados das análises nos permitiram atestar a viabilidade técnica do processo. Contudo, embora haja tecnologia suficiente para que sejam produzidos industrialmente biogás e etanol celulósico, utilizando a casca de café como matéria-prima, este empreendimento não se mostrou economicamente viável, independente da condição de PTH empregada. Este resultado se deu principalmente devido aos elevados custos de produção e o baixo preço de venda do principal produto, o etanol. O menor custo de produção atingido variou em torno de 7,50 USD. Contudo, biorrefinarias de produtos de maior valor agregado podem se mostrar economicamente viáveis, sendo um destino mais nobre às cascas de café.
Biogas production by anaerobic co-digestion of sugarcane biorefinery byproducts : comparative analyses of performance and microbial community in novel single-and two-stage systems.
(2022) Herrera Adarme, Oscar Fernando; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Torres, Murillo Cardoso; Tapiero, Fabián Camilo Otálora; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Silva, Silvana de Queiroz; Aquino, Sergio Francisco de
Anaerobic co-digestion (AcD) of sugarcane biorefinery byproducts (hemicelluloses hydrolysate (HH), vinasse, yeast extract and sugarcane bagasse fly ashes was evaluated using new anaerobic reactors fed with organic loading rates (OLR) from 0.9 to 10.8 g COD L−1 d−1. The best results were obtained in a two-stage system when the OLR was 5.65 g COD L−1 d−1, leading to a total chemical oxygen demand (COD) removal of 87.6 % and methane yield of 243 NmL CH4 g CODr−1. Microbial community analyses of sludge from both systems (one and two-stages) revealed structural changes and relationship among the main genus found (Clostridium (62.8%), Bacteroides(11.3 %), Desulfovibrio (19.1 %), Lactobacillus(67.7 %), Lactococcus (22.5%), Longilinea (78%), Methanosaeta (19.2 %) and Syntrophus (18.9 %)) with processes performance, kinetic and hydrodynamic parameters. Moreover, biomass granulation was observed in the novel structured anaerobic reactor operated at single stage due to sugarcane bagasse fly ash addition.