Produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia - aspectos gerais e possibilidade de utilização de resíduos agroindustriais brasileiros
Quím. Nova vol.37 no.5 São Paulo June 2014
http://dx.doi.org/10.5935/0100-4042.20140138
Hydrogen production by anaerobic fermentation - general aspects and possibility of using brazilian agro-industrial wastes
Lívian R. Vasconcelos de SáI, II; Magali C. CammarotaIII; Viridiana S. Ferreira-LeitãoI, II, *
IDivisão de Catálise e Processos Químicos, Instituto Nacional de Tecnologia/MCTI, 20081-312 Rio de Janeiro - RJ, Brasil
IIDepartamento de Bioquímica, Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 21941-909 Rio de Janeiro - RJ, Brasil
IIIDepartamento de Engenharia Bioquímica, Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 21941-909 Rio de Janeiro - RJ, Brasil
Biological production of hydrogen through anaerobic fermentation has received increasing attention and offers a great potential as an alternative process for clean fuel production in the future. Considering biological systems for H2 production, anaerobic fermentation stands out, primarily due to its higher production of H2 compared with other biological processes. In addition the possibility of using different agro-industrial wastes as substrates opens up infinite possibilities. The development and implementation of sustainable processes for converting renewable materials into different value-added products is essential for the full exploitation of Brazilian agro-industrial wastes.
Keywords: biological hydrogen; anaerobic fermentation; agro-industrial wastes.
O aumento das necessidades energéticas mundiais, o esgotamento das reservas de combustíveis fósseis e os problemas ambientais relacionados ao uso contínuo destes combustíveis, definem um novo panorama para o século XXI e determinam que novas políticas referentes a fontes de energia sejam adotadas. O alarmante crescimento da procura por fontes de energia, associado à incerteza quanto à disponibilidade e preço do petróleo, conduzem à adoção de práticas para o desenvolvimento e exploração de novos recursos energéticos.1
Assegurar a geração de energia, com as devidas precauções em relação ao meio ambiente, tem sido um dos mais relevantes desafios atuais. O debate sobre o aquecimento global vem se acentuando nas últimas décadas, resultando no estudo e na utilização de fontes alternativas de energia, menos poluentes que as atuais. É neste contexto que a produção de hidrogênio surge como uma alternativa bastante atraente.
O uso do hidrogênio como vetor energético tem sido considerado tanto para a geração de energia elétrica, a partir de sua utilização em células a combustível, quanto para o transporte, por meio de células a combustível ou motores de combustão interna.2,3 Uma das maiores motivações para tal é o nível muito reduzido de emissões associadas à sua utilização. No entanto, ao se analisar os ganhos ambientais efetivos, deve-se considerar a matéria prima utilizada no processo de geração do hidrogênio, uma vez que diferentes fontes, renováveis ou não, podem ser utilizadas.4
O desenvolvimento de tecnologias para produção biológica de hidrogênio a partir de biomassa constitui uma área bastante promissora. Dentre os sistemas biológicos para produção de H2, a fermentação anaeróbia tem se destacado, devido principalmente à maior produção de H2 quando comparada aos outros processos biológicos e a possibilidade de utilização de diferentes materiais residuais como substrato.
A utilização de materiais residuais e o seu processamento com tecnologias pouco poluidoras são uma tendência mundial. Questões ambientais têm alavancado o interesse por fontes renováveis e os resíduos agroindustriais tornaram-se uma importante fonte para a produção de novos materiais, produtos químicos e energia.5 O desenvolvimento e implementação de processos sustentáveis, capazes de converter biomassa em vários produtos com alto valor agregado, é uma necessidade absoluta para o aproveitamento dos resíduos agroindustriais brasileiros e redução do impacto ambiental associado ao descarte inadequado dos mesmos.
Deste modo, este trabalho tem como objetivo mostrar os principais aspectos envolvidos na produção biológica de hidrogênio por processo de fermentação anaeróbia utilizando diferentes resíduos agroindustriais brasileiros.
HIDROGÊNIO - VETOR ENERGÉTICO
Atualmente, as intensas mudanças climáticas globais e o fornecimento futuro de energia têm estimulado o desenvolvimento de pesquisas baseadas em combustíveis alternativos. Dentro deste contexto, o hidrogênio (H2) tem despertado grande interesse, visto que a sua combustão direta produz uma quantidade significativa de energia e libera apenas água (H2 + 1/2 O2 → H2O).3,6 Além disso, o hidrogênio apresenta uma elevada densidade energética (da ordem de 142 kJ g-1), sendo aproximadamente três vezes superior quando comparada aos combustíveis à base de hidrocarbonetos pesados.7
O hidrogênio pode ser utilizado diretamente como combustível em motores de combustão ou em células a combustível.2,3 Além do mais, os processos de produção de hidrogênio a partir de matérias-primas renováveis ou não renováveis permitem certa flexibilidade em relação à tecnologia, tornando-o uma promissora alternativa energética.4
A maior utilização do hidrogênio hoje é como reagente em indústrias químicas e petroquímicas para a produção de fertilizantes (com uma quota de 50%), seguida pelo tratamento do petróleo bruto (aproximadamente 37%).2,3 Além destes processos, o hidrogênio é também utilizado como reagente nos processos de hidrogenação, como combustível para motores de foguete e como fluido de refrigeração em geradores elétricos.8
Atualmente, os métodos de produção de hidrogênio podem ser divididos em função das três principais matérias-primas utilizadas: combustíveis fósseis, água e biomassa. Alguns dos processos mais significativos estão citados na Tabela 1.9
Entre os métodos citados na Tabela 1, estima-se que a reforma do gás natural contribui com cerca de 40% do hidrogênio produzido, seguido pela oxidação de hidrocarbonetos pesados (30%), gaseificação do carvão (18%) e eletrólise da água (5%).2 Atualmente, a produção biológica de hidrogênio contribui com apenas 1% da produção total de hidrogênio. No entanto, espera-se que esta porcentagem cresça exponencialmente com o desenvolvimento de novas técnicas e processos.10
O desenvolvimento de tecnologias para a produção biológica de hidrogênio é uma área bastante promissora. Os processos de obtenção de hidrogênio por via microbiana vêm ganhando grande destaque devido à possibilidade de utilização de fontes renováveis de energia, bem como o reaproveitamento de materiais residuais, diminuindo assim a quantidade de subprodutos armazenados nas indústrias. Além disso, estes processos são adequados para a produção descentralizada de energia, em instalações de pequena escala, em locais onde a biomassa ou os resíduos estão disponíveis, evitando custos adicionais com o transporte.3 Os processos biológicos são geralmente operados à temperatura e pressão ambientes, levando assim a um menor consumo de energia e a balanços energéticos favoráveis.7,8
PRODUÇÃO BIOLÓGICA DE HIDROGÊNIO
A produção de hidrogênio via processo biológico pode ser realizada por meio de: biofotólise direta da água utilizando algas verdes, biofotólise indireta da água por cianobactérias, fotofermentação de compostos orgânicos por meio de bactérias fotossintéticas, fermentação anaeróbia de compostos orgânicos através de bactérias fermentativas e sistemas híbridos utilizando bactérias fotossintéticas e fermentativas.2,11
A biofotólise direta da água, geralmente realizada por algas verdes em condições anaeróbias, está associada à ação da energia luminosa sobre um sistema biológico, resultando na decomposição da água e produção de hidrogênio. A biofotólise indireta envolve tipicamente cianobactérias que utilizam a energia armazenada nos carboidratos oriundos da fotossíntese para gerar hidrogênio a partir da água. A foto-fermentação é realizada por bactérias púrpuras não sulfurosas que utilizam a energia luminosa para transformar ácidos orgânicos em H2 e CO2. Finalmente, o processo de fermentação anaeróbia envolve bactérias anaeróbias que convertem carboidratos em hidrogênio. Todos os processos mencionados podem ser combinados de forma a expandir as possibilidades tecnológicas de produção do hidrogênio biológico.12 A Tabela 2 apresenta as principais vantagens e desvantagens dos processos biológicos mencionados.2,11
Dentre os sistemas apresentados na Tabela 2, a produção de hidrogênio por fermentação anaeróbia tem despertado grande interesse, devido principalmente a uma maior produção de hidrogênio quando comparada aos outros processos biológicos.6,33,34 A produção de hidrogênio por meio de bactérias fermentativas permite uma geração contínua e em ritmo sustentado, uma vez que não há inibição pela ausência de iluminação. Além disso, os micro-organismos fermentativos são mais eficazes na produção de hidrogênio em um curto intervalo de tempo quando comparados aos micro-organismos responsáveis pelos processos fotobiológicos.2
Metabólitos intermediários de alto valor agregado são gerados pelo metabolismo das bactérias fermentativas.8 O processo fermentativo permite ainda a utilização de diferentes tipos de resíduos como substrato, tais como materiais lignocelulósicos, glicerina, resíduos alimentícios e lácteos, entre outros.35 Neste contexto, a produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia apresenta-se como uma alternativa muito interessante de um ponto de vista técnico e ambiental.8
ASPECTOS GERAIS DO PROCESSO DE FERMENTAÇÃO ANAERÓBIA
A fermentação anaeróbia consiste em um processo biológico no qual um consórcio de diferentes tipos de micro-organismos promove a transformação de compostos orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e lipídios) em produtos mais simples, tais como ácidos orgânicos voláteis (ácidos acético, propiônico, isobutírico e butírico), álcoois (etanol, butanol), H2, CO2 e CH4.36 A degradação da matéria orgânica em ambientes anaeróbios envolve a cooperação entre diferentes micro-organismos responsáveis por uma fermentação estável e autorregulada.37,38
O processo de fermentação anaeróbia é desenvolvido em quatro etapas principais: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. Na primeira fase do processo fermentativo, bactérias hidrolíticas produzem enzimas extracelulares que promovem a degradação dos materiais particulados complexos em materiais dissolvidos mais simples, os quais são permeáveis às membranas celulares das bactérias fermentativas. Na fase acidogênica, os produtos solúveis oriundos da etapa anterior são metabolizados no interior das células das bactérias, sendo convertidos em compostos mais simples. Os compostos produzidos incluem ácidos orgânicos voláteis, álcoois, CO2, H2, além de novas células bacterianas. As bactérias acetogênicas são responsáveis pela oxidação dos produtos gerados na fase acidogênica em substrato apropriado (H2 e ácido acético) para as arqueias metanogênicas. Nesta etapa do processo, o H2 pode também ser convertido em ácido acético pelas bactérias homoacetogênicas. Na última etapa do processo, as arqueias metanogênicas convertem o H2 e o ácido acético em CH4 e CO2. Em função de sua afinidade pelo substrato, as arqueias metanogênicas podem ser divididas em metanogênicas acetoclásticas (arqueias que utilizam o ácido acético como substrato) e metanogênicas hidrogenotróficas (arqueias que utilizam o hidrogênio como substrato). Na presença de sulfato e nitrato no meio fermentativo, as bactérias nitrato-redutoras (BNR) e as bactérias sulfato-redutoras (BSR) são capazes de utilizar o H2 para formação de amônia e sulfeto, respectivamente.39,40 Uma representação esquemática das principais etapas do processo fermentativo anaeróbio é apresentada na Figura 1.
FATORES QUE INFLUENCIAM O PROCESSO FERMENTATIVO ANAERÓBIO
A produção de hidrogênio a partir do processo de fermentação anaeróbia pode ser influenciada por uma série de condições operacionais e parâmetros físico-químicos, tais como o tipo de inóculo, temperatura, pH, modo de operação do reator e pressão parcial de hidrogênio.41,42
Tipo de inóculo
A produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia pode ser realizada por meio de culturas microbianas mistas, derivadas de ambientes naturais, ou por culturas puras, selecionadas a partir de bactérias produtoras de H2.
Diferentes linhagens bacterianas têm sido utilizadas para produzir H2 a partir dos mais diferenciados substratos. As vantagens da utilização de culturas puras estão relacionadas à seletividade do substrato, à melhor manipulação do metabolismo através de alterações das condições de crescimento, aos elevados rendimentos de H2 e à redução de subprodutos. Por outro lado, culturas puras são sensíveis à contaminação, o que implica, na maioria dos casos, no emprego de condições assépticas e aumento do custo global do processo.41
Diversos tipos de micro-organismos têm sido utilizados para produção de H2 via processo fermentativo. Dentre eles, se destacam as espécies pertencentes ao gênero Clostridium, devido ao seu rápido metabolismo e sua capacidade de formar esporos frente a condições adversas. Bactérias pertencentes aos gêneros Bacillus, Enterobacter e Thermoanaerobacterium também têm sido relatadas como potenciais produtoras de H2.43
A utilização de culturas mistas para processos em grande escala é considerada favorável devido ao controle e operação do processo serem facilitados pela utilização de meios não estéreis, reduzindo o custo global.41 A redução do custo pode ser ainda enfatizada quando empregadas culturas mistas a partir de fontes naturais, tais como solo, lodo de esgoto, excreta de animais ou resíduos.44-48
A desvantagem na utilização de culturas mistas, em termos da viabilidade econômica do processo de produção de H2, está relacionada à presença, sempre provável, de micro-organismos consumidores de H2, tais como as arqueias metanogênicas, as bactérias homoacetogênicas e as bactérias sulfato e nitrato redutoras.41,49 A estratégia para minimizar este efeito consiste no pré-tratamento do inóculo, que possui a finalidade de inibir e/ou eliminar os micro-organismos consumidores de H2, bem como selecionar os micro-organismos produtores de H2.50
As arqueias metanogênicas, principais micro-organismos consumidores de H2 na maioria dos ambientes anaeróbios, não possuem capacidade de esporular, não sobrevivendo, portanto, sob temperaturas extremas.38,51 O pH também constitui um fator de influência na atividade das arqueias metanogênicas no meio fermentativo, visto que a maioria destes micro-organismos cresce somente na faixa de pH de 6 a 8.52
O pré-tratamento térmico é capaz de prevenir a metanogênese, no entanto, não inibe o consumo de H2 pelas bactérias homoacetogênicas. A presença de bactérias homoacetogênicas no meio fermentativo pré-tratado ocorre em virtude de algumas destas bactérias pertencerem ao gênero Clostridium (micro-organismos formadores de esporos resistentes a altas temperaturas), tais como C. aceticum e C. thermoautotrophicum.53 Estudos mostram que a atividade deste tipo de bactéria no inóculo pode ser suprimida através da remoção de CO2 do headspace, uma vez que estas bactérias necessitam concomitantemente de CO2 e H2 para conversão a ácido acético.54
As bactérias que utilizam nitrato ou sulfato como aceptores de elétrons são mais eficientes em baixas concentrações de H2 no meio. Além disso, estas bactérias só competem com as bactérias homoacetogênicas e com as arqueias metanogênicas na presença de nitrato e sulfato em excesso.55 Valores de pH menores que 6 inibem consideravelmente a atividade das bactérias sulfato-redutoras.56
Vários tipos de pré-tratamento do inóculo têm sido utilizados, tais como pré-tratamentos químicos (ácido, alcalino, adição de compostos químicos) e físicos (térmico, congelamento/descongelamento, aeração). A Tabela 3 apresenta alguns exemplos de métodos de pré-tratamento de inóculo para produção de H2 via fermentação anaeróbia.
Como pode ser observado na Tabela 3, existem muitas diferenças com relação ao pré-tratamento ótimo para enriquecimento das bactérias produtoras de H2 a partir de culturas mistas. Esta discordância está relacionada a inúmeros fatores, tais como o tipo e origem do inóculo utilizado, condições do pré-tratamento e do processo fermentativo e tipo de substrato.41,64,66
A capacidade dos micro-organismos atuarem na decomposição de um determinado substrato em H2 está relacionada à presença de enzimas específicas, tais como as hidrogenases.67 Estas enzimas são responsáveis pela catálise da reação reversível de oxidação do hidrogênio (2H+ +2e - ↔ H2).33,68
As hidrogenases podem ser agrupadas, de maneira geral, em duas classes distintas, baseadas no tipo de metal encontrado em seus respectivos centros catalíticos: aquelas que contem somente ferro são chamadas de [FeFe]-hidrogenases e aquelas que contem níquel e ferro são denominadas [NiFe]-hidrogenases. Algumas enzimas também podem apresentar o selênio, além do níquel e do ferro no centro catalítico, sendo denominadas [NiFeSe]-hidrogenases.33,69
As [FeFe]-hidrogenases são geralmente encontradas em micro-organismos produtores de H2, tais como os do gênero Clostridium. As [NiFe]-hidrogenases e as [NiFeSe]-hidrogenases são frequentemente encontradas em micro-organismos consumidores de H2, tais como as arqueias metanogênicas e as bactérias redutoras de sulfato.68,69
Recentemente, o nível de expressão do gene hidrogenase (hyd) tem sido utilizado como indicador da produção de H2 em diferentes sistemas.70-72 Estudos preliminares realizados por nosso grupo investigaram a possibilidade da razão entre os ácidos acético e butírico (HAc/HBu) e do nível de expressão do gene hidrogenase funcionarem como ferramentas na avaliação do desempenho das comunidades bacterianas na produção de H2 via fermentação anaeróbia.50 Neste estudo, foram utilizados o inóculo in natura e o inóculo pré-tratado termicamente e sacarose como substrato. O meio contendo inóculo in natura apresentou uma razão dos ácidos acético e butírico de aproximadamente 4, sendo que o mesmo parâmetro foi de 7 quando utilizado o inóculo pré-tratado termicamente. Estudos de biologia molecular confirmaram a presença de micro-organismos do gênero Clostridium e de hidrogenases de Clostridium em todas as condições estudadas, inóculo in natura e pré-tratado, antes e após 24 h de fermentação. Através de dados obtidos por RT-PCR, em tempo real, foi possível observar que o inóculo pré-tratado termicamente apresentou um nível de expressão do gene hidrogenase três vezes maior quando comparado ao inóculo in natura, indicando elevada produção de H2. Deste modo, a combinação destes dois parâmetros, razão HAc/HBu e nível de expressão das hidrogenases pode ser utilizada como ferramenta na avaliação do desempenho das comunidades bacterianas para produção de H2.50
A temperatura é considerada um dos principais fatores de influência na produção de hidrogênio via fermentação anaeróbia. As reações de fermentação podem ser conduzidas em faixas de temperatura mesofílica (25-40 ºC), termofílica (40-65 ºC), termofílica extrema (65-80 ºC) e hipertermofílica (> 80 ºC).34 A maioria dos estudos de produção de H2 fermentativo tem utilizado a faixa de temperatura mesofílica. Li e colaboradores (2007) citam que 73 dos 121 estudos de caso foram realizados em temperatura mesofílica.73 A Tabela 4 apresenta alguns estudos que investigaram o efeito da temperatura no processo de produção do H2 fermentativo. A temperatura ótima para cada processo depende do tipo e origem do inóculo, da quantidade de compostos biodegradáveis e das condições operacionais do sistema.52
O pH constitui outro fator que influencia fortemente no processo de produção de H2 fermentativo. Dois diferentes tipos de experimentos têm sido conduzidos para determinação do pH ótimo para produção de H2. O primeiro envolve o ajuste de diferentes valores iniciais de pH, enquanto o outro envolve o controle e manutenção do mesmo pH durante todo o processo fermentativo. Rendimentos de H2 utilizando o ajuste do pH inicial bem como a manutenção do pH controlado podem ser analisados na Tabela 5.
Estudos mostram que o pH ótimo em termos de produção de H2 se encontra na faixa de 5 a 7, sendo o pH em torno de 5,5 relacionado aos melhores rendimentos de produção de H2.86,87 O pH dentro da faixa supracitada favorece a atividade das enzimas envolvidas no processo de produção do H2, bem como permite a inibição dos micro-organismos consumidores de H2 presentes no meio fermentativo.37,73
O pH afeta não somente o rendimento da produção de H2 em culturas mistas, mas também modifica o espectro de subprodutos formados, bem como promove alterações nas comunidades bacterianas presentes no meio fermentativo.88,89 Temudo e colaboradores (2008) estudaram o impacto do pH na atividade metabólica e na diversidade microbiana no processo fermentativo com glicose, xilose e glicerol a 30 ºC.90 Os autores observaram que em pH baixo (< 6), os principais metabólitos formados consistiam dos ácidos butírico e acético, enquanto que em elevados valores de pH o espectro de produtos formados mudava para ácido acético e etanol. Além disso, os autores observaram que em ambas as condições, pH baixo ou elevado, havia a predominância de espécies do gênero Clostridium, enquanto que em valores intermediários de pH havia uma maior diversidade microbiana no meio fermentativo.
Modo operacional do reator
A maioria dos estudos relacionados à produção de H2 por via fermentativa anaeróbia tem sido conduzida em reatores operados em batelada. Reatores em batelada possuem a vantagem de serem simples, flexíveis e de fácil operação. No entanto, operações em grande escala requerem processos contínuos de produção por razões práticas e econômicas.42,52
No processo contínuo em escala laboratorial, o reator de tanque agitado contínuo (continuous stirred tank reactor - CSTR) tem sido comumente utilizado.91 Outros tipos de reatores também têm sido utilizados, tais como o reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (upflow anaerobic sludge blanket - UASB), o biorreator de leito empacotado, o reator de leito fixo, o biorreator de leito fixo e fluxo ascendente, o reator batelada anaeróbio em série e o reator de leito fluidizado anaeróbio, entre outros.92-97
Em alguns estudos de produção de H2, verificou-se que o processo em batelada apresenta maiores rendimentos de H2 quando comparado ao modo contínuo. Isto pode ser atribuído ao microambiente substancialmente diferente no reator em batelada quando comparado aos reatores contínuos.41,56,98
Pressão parcial de hidrogênio
A pressão parcial de hidrogênio no biorreator constitui um fator importante que influencia fortemente no processo de produção de H2 por via fermentativa. Elevada pressão parcial de H2 no meio fermentativo pode favorecer a ocorrência da solventogênese, fase na qual é observada a formação de ácido láctico e alguns solventes (etanol, butanol e acetona). Estudos mostram que as vias metabólicas para síntese de H2 são sensíveis a elevadas concentrações de H2 e estão sujeitas à inibição pelo produto. Deste modo, um aumento da pressão parcial de H2 diminui a síntese deste e as vias metabólicas são direcionadas para produção de metabólitos mais reduzidos, tais como ácido láctico, etanol, butanol e acetona.34
Diversos estudos têm sido conduzidos de modo a diminuir a pressão parcial de H2 no biorreator, favorecendo, deste modo, a síntese de H2. Dentre estes processos se destacam as purgas com gás inerte no sistema fermentativo ou a coleta periódica e regular dos gases produzidos.37,99,100 Apesar dos inúmeros estudos sobre este assunto, uma investigação mais detalhada sobre este tema se torna necessária de modo a viabilizar a produção de H2 em grande escala.37
POTENCIAIS SUBSTRATOS PARA PRODUÇÃO DE H2
Uma grande variedade de materiais ricos em carboidratos, lipídios e/ou proteínas podem ser utilizados como substratos na produção de H2 por via biológica. No entanto, conforme descrito em inúmeros estudos, os carboidratos constituem a fonte preferida de carbono orgânico no processo fermentativo.42,47,52
Disponibilidade, custo e biodegradabilidade constituem os principais critérios para seleção de substratos adequados para a produção de H2 fermentativo.101 Carboidratos simples, como sacarose e glicose, são facilmente biodegradáveis, sendo por esse motivo utilizados como substratos modelo para a produção de hidrogênio biológico. No entanto, fontes puras de carboidratos representam matérias-primas caras para produção de H2 em grande escala, sendo viáveis apenas quando baseadas em fontes renováveis e de baixo custo.2,41 É neste contexto que se destaca a utilização de materiais residuais como potenciais substratos para a produção de H2. A biotransformação de resíduos em H2 pode ser considerada bastante atraente do ponto de vista ambiental (energia renovável) e econômica (recuperação de recursos e gestão de resíduos com baixo custo total).41
Inúmeros materiais residuais têm sido utilizados como substrato para as bactérias fermentativas na produção de H2, tais como resíduos alimentícios industriais ou domésticos, resíduos da indústria de papel, resíduos lácteos, resíduos do processamento do óleo de palma, dentre outros.51,102-104
Dois materiais residuais tipicamente brasileiros merecem destaque com relação ao grande potencial de produção de H2. São eles os resíduos lignocelulósicos oriundos do processo de produção de etanol e a glicerina do processo de produção do biodiesel.
A biomassa lignocelulósica consiste em um material complexo e quimicamente rico, cuja estrutura é representada principalmente pela interação físico-química entre a celulose (polímero linear de glicose), a hemicelulose (heteropolímero altamente ramificado contendo prioritariamente pentoses) e a lignina (macromolécula aromática e de alta massa molecular).105
No processo convencional de produção de açúcar e etanol a partir da cana-de-açúcar (Etanol de Primeira Geração - Etanol 1G) são gerados resíduos de biomassa lignocelulósica, tais como o bagaço e a palha da cana-de-açúcar. A utilização deste material lignocelulósico para produção de Etanol de Segunda Geração (Etanol 2G) tem sido intensamente estudada. O processo de produção do bioetanol a partir da biomassa lignocelulósica envolve as etapas de pré-tratamento do material lignocelulósico, hidrólise da celulose, fermentação de hexoses e destilação.106
Considerando a associação dos processos de produção de Etanol 1G e 2G, a fração celulósica (com maior conteúdo de hexoses) seria a opção mais imediata para a produção de bioetanol e outras utilizações para a fração hemicelulósica (pentoses) seriam necessárias. Neste contexto, abre-se espaço para a produção de hidrogênio biológico. A Figura 2 mostra uma representação esquemática dos possíveis materiais residuais dos processos de produção de etanol 1G e etanol 2G para a produção de hidrogênio por via biológica.
A fração hemicelulósica obtida após o pré-tratamento do material lignocelulósico, também chamada de hidrolisado, é composta majoritariamente por xilose. Este carboidrato produzido durante as etapas de processamento do material lignocelulósico não é diretamente fermentável por Saccharomyces cerevisiae, levedura convencionalmente utilizada no processo fermentativo para produção de etanol.107 Deste modo, a grande proporção de xilose obtida da fração hemicelulósica tem despertado grande interesse nas mais diversas áreas da bioconversão. Entre os processos de bioconversão, a produção de H2 a partir de xilose tem se destacado como amplamente viável devido à possibilidade de degradação deste carboidrato por bactérias fermentativas produtoras de H2.49,108,109 O vinhoto produzido durante o processo de Etanol 1G e o vinhoto enriquecido com xilose produzido durante o processo de Etanol 2G (quando não ocorrer a separação prévia das frações) também constituem potenciais substratos para as bactérias fermentativas na produção de hidrogênio biológico.110,111
A glicerina tem atraído grande atenção nos últimos anos, devido ao fato de ser um subproduto gerado no processo de produção de biodiesel. A Figura 3 mostra uma representação esquemática do processo de produção de biodiesel a partir da transesterificação de óleos vegetais ou gorduras animais com álcoois (metanol ou etanol), utilizando catálise básica, com consequente obtenção da glicerina.112
A quantidade de glicerina gerada no processo de produção do biodiesel cresceu muito desde a instituição do Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel em 2004, o qual prevê a adição gradual e crescente deste biocombustível ao diesel fóssil.114 Com o intuito de evitar futuros problemas derivados do acúmulo de glicerina e tornar a produção de biodiesel mais competitiva, torna-se necessária a busca de alternativas para o uso da glicerina gerada nesta produção.115 Atualmente, a glicerina pode ser utilizada em diferentes setores industriais, tais como na produção de cosméticos, fármacos, papéis, itens de higiene pessoal, alimentos, fumo, bebidas e outros.116 Uma alternativa, que tem se mostrado muito atraente do ponto de vista energético, é a utilização da glicerina como substrato para geração de hidrogênio biológico, visto que ela pode ser biodegradada por bactérias anaeróbias fermentativas.117,118
A Figura 4 ilustra a rota metabólica dos micro-organismos do gênero Clostridium na conversão de hexoses, pentoses ou glicerina em H2 e ácidos orgânicos durante o processo fermentativo anaeróbio. Todos os substratos apresentados (sacarose, glicose, frutose, xilose e glicerina) são processados por meio da via glicolítica para produção de H2. Em particular, o metabolismo da sacarose envolve uma etapa anterior à via glicolítica, que consiste na hidrólise da sacarose em glicose e frutose pela enzima invertase. A glicose é fosforilada pela molécula de ATP, originando glicose-6-fosfato, a qual é convertida em sua forma isomérica, frutose-6-fosfato. A frutose é diretamente fosforilada a frutose-6-fosfato. A segunda fosforilação leva à formação da frutose-1,6-bifosfato, que é convertida em gliceraldeído-3-fosfato pela ação da enzima aldolase. Xilose é metabolizada em xilulose, que é então fosforilada pela molécula de ATP produzindo xilulose-5-fosfato. Depois disso, moléculas de frutose-6-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato são obtidas através da ação das enzimas transcetolase e transaldolase. Somente a glicerina é reduzida a dihidroxiacetona e fosforilada em dihidroxiacetona-fosfato antes de ser convertida a gliceraldeído-3-fosfato. Algumas reações de oxidação-redução ocorrem após a formação do gliceraldeído-3-fosfato. Além disso, a energia é convertida na forma de ATP e moléculas de piruvato são também formadas. O piruvato formado no processo é clivado pela piruvato-ferredoxina oxidoredutase na presença da coenzima A (CoA) para obtenção de acetil-CoA, ferredoxina reduzida (Fdred) e dióxido de carbono. A acetil-CoA produzida consiste em um intermediário essencial na rota para produção de ácidos. A acetil-CoA pode ser fosforilada pelo sistema da fosfotranscetilase ou fosfotransbutilase para geração de ácido acético e butírico, respectivamente, e ATP. A formação dos ácidos acético e butírico não envolve nenhuma reação de redução e a ferredoxina reduzida (Fdred) é capaz de transferir elétrons para as enzimas hidrogenases, as quais utilizam prótons H+ como aceptor final de elétrons. Deste modo, a ferredoxina é reoxidada e a molécula H2 é liberada. Quando a glicerina é utilizada como substrato, pode-se observar ainda a produção do 1,3-propanodiol por uma via oxidativa alternativa. Sob a ação da enzima glicerol-dehidratase, a glicerina é convertida a 3-hidróxi-propionaldeído e em seguida a 1,3-propanodiol.37,65,119-126
Em estudos realizados pelo nosso grupo foram testados diferentes substratos para a produção de H2 utilizando inóculo pré-tratado termicamente.65 Os substratos sintéticos testados simulavam resíduos da produção de etanol de primeira geração (a partir da sacarose), da produção de etanol de segunda geração (a partir de materiais lignocelulósicos, os quais permitem a geração de açúcares C5 e C6) e finalmente a glicerina oriunda do processo de produção do biodiesel. Neste estudo, o meio fermentativo contendo sacarose como substrato apresentou o maior rendimento de H2 (4,24 mol de H2/mol de sacarose). Os meios que utilizaram glicose, frutose e xilose apresentaram rendimentos de H2 similares, 2,19, 2,09 e 1,88 mol de H2/mol de substrato, respectivamente. Os autores associaram este resultado à rota metabólica utilizada por micro-organismos do gênero Clostridium, a qual é capaz de realizar a conversão de hexoses e pentoses em H2 e ácidos orgânicos (Figura 4). O menor rendimento de H2 foi obtido quando se utilizou a glicerina como substrato (0,80 mol de H2/mol de glicerina). Este resultado foi relacionado ao fato de micro-organismos do gênero Clostridium serem capazes de degradar simultaneamente glicerina em 1,3-propanodiol e em outros subprodutos via piruvato (Figura 4). A produção biológica de 1,3-propanodiol tem recebido grande atenção devido ao promissor uso deste composto no setor químico.120,122 O 1,3-propanodiol é um valioso intermediário químico utilizado principalmente na manufatura de polímeros, cosméticos, lubrificantes, entre outros.127 A Tabela 6 apresenta diferentes substratos utilizados para produção de H2 via fermentação anaeróbia a partir de culturas microbianas mistas.
PRODUÇÃO SEQUENCIAL DE H2 E CH4
Um aspecto bastante atrativo na produção biológica de H2 via fermentação anaeróbia consiste na possibilidade de utilização de vários materiais residuais como substrato.51,102-104 No entanto, o elevado potencial poluidor destes resíduos não é completamente reduzido durante o processo de produção de H2.132,133 Estima-se que a redução da demanda química de oxigênio (DQO) neste estágio de produção de H2 seja menor que 20%.134 Neste caso, a maior parte da fração orgânica dos materiais residuais permanece solúvel ao final do processo fermentativo.135 Deste modo, uma etapa subsequente à produção de H2 se torna necessária para diminuição do teor de matéria orgânica e posterior descarte dentro dos padrões da legislação ambiental.
O processo em dois estágios para produção sequencial de H2 e CH4 tem sido considerado como uma alternativa para melhorar a viabilidade econômica do tratamento de resíduos.133,136 Segundo Peixoto e colaboradores (2012) o processo combinado de produção de H2 e CH4 permite uma maior redução da DQO de alguns resíduos quando comparado aos processos individuais.137 Neste estudo, os autores observaram uma remoção de DQO de aproximadamente 74% para o vinhoto em um processo combinado e 43 e 51% para os processos individuais de produção de H2 e CH4, respectivamente. Resultados similares, de maiores eficiências de remoção de DQO no processo combinado, foram também obtidos para outros resíduos, tais como glicerina, esgoto sanitário e águas residuárias de processamento de arroz.137
O sistema de dois estágios contempla a separação dos processos acidogênicos e metanogênicos para produção de H2 e CH4, respectivamente. No primeiro estágio (processo acidogênico) a matéria orgânica é degradada a ácidos orgânicos e H2 e no segundo estágio (processo metanogênico) os ácidos orgânicos são metabolizados a CH4 e CO2.133,138
Um dos objetivos de se utilizar um sistema de dois estágios para produção de H2 e CH4 consiste em otimizar cada um dos processos separadamente.139-141 De uma maneira geral, os maiores rendimentos de H2 são obtidos com um pH do meio fermentativo entre 5 e 6,5 e um tempo de retenção hidráulica entre 2 e 10 h, dependendo das características e concentrações dos substratos utilizados. Já a produção de CH4 ocorre tipicamente em um pH entre 6,8 e 7,5 e um tempo de retenção hidráulica que pode variar de dias a semanas.138 Devido aos diferentes tempos de retenção hidráulica observados para os processos acidogênicos e metanogênicos, reatores de diferentes dimensões podem ser empregados, levando assim a uma redução do custo do processo.142 Além disso, estudos têm demonstrado que a separação física dos consórcios acidogênico e metanogênico apresenta uma vantagem em termos de estabilização do processo quando comparada ao sistema de um único estágio para produção de CH4, uma vez que o consórcio acidogênico apresenta uma maior capacidade de assimilação de choques de carga orgânica e variações de pH e temperatura.132,134,140
Estudos na literatura mostram que o processo em dois estágios para produção de H2 e CH4 permite uma maior obtenção de energia quando comparado ao processo em um único estágio para produção de CH4.139,140 Uma análise teórica do potencial energético da produção de H2 e CH4 em dois estágios e da produção de CH4 em um único estágio a partir de diferentes substratos (sacarose, glicose, frutose, xilose e glicerina) é demonstrada na Tabela 7. Os valores teóricos do processo em dois estágios foram calculados a partir da reação de produção de acetato, visto que se trata do maior rendimento teórico em relação à produção de H2.
Como pode ser observada, a produção sequenciada de H2 e CH4 apresenta um maior potencial energético quando comparado ao processo de produção de CH4 em um único estágio para todos os substratos analisados. O processo em dois estágios utilizando sacarose, glicose ou frutose apresentou aproximadamente 9% de energia a mais que o processo de produção de CH4 em um único estágio. Valores em torno de 14 e 11% foram obtidos para a xilose e glicerina, respectivamente. Deste modo, estes resultados demonstram a viabilidade da produção integrada de H2 e CH4 via fermentação anaeróbia a partir de diferentes substratos.
O uso do hidrogênio como vetor energético tem tido grande destaque no contexto energético mundial, que inclui a diminuição das reservas de combustíveis fósseis, sua distribuição geográfica e os problemas ambientais relacionados ao uso contínuo destes combustíveis. Dentre os processos de produção de hidrogênio, a produção biológica a partir de biomassa via processo fermentativo anaeróbio se apresenta como uma opção bastante promissora, uma vez que permite a utilização de diferentes materiais residuais como substrato. A utilização destes materiais residuais e o seu processamento utilizando tecnologias pouco poluidoras é uma tendência mundial e garante a sustentabilidade de muitos processos. A produção sequenciada de H2 e CH4 tem sido apresentada como uma alternativa bastante viável para melhoria do tratamento dos resíduos e geração de energia. A oportunidade de geração sustentável de hidrogênio associada à vocação brasileira no setor agroindustrial e a sua liderança na produção de biocombustíveis permitem ao país dar significativas contribuições acerca da produção biológica de H2 a partir de resíduos agroindustriais.
CNPq, FINEP e SETEC/MCTI pelo suporte financeiro.
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