Design and optimization of hydrogen production from hydrothermally pretreated sugarcane bagasse using response surface methodology

Abstract

Hydrogen production from hydrothermally pretreated (200 °C for 10 min at 16 bar) sugarcane bagasse was analyzed using response surface methodology. The yeast extract concentration and the temperature had a significant influence for hydrogen production (p-value 0.027 and 0.009, respectively). Maximum hydrogen production (17.7 mmol/L) was observed with 3 g/L yeast extract at 60 °C (C10). In this conditions were produced acetic acid (50.44 mg/L), butyric acid (209.71 mg/L), ethanol (38.4 mg/L), and methane (6.27 mmol/L). Lower hydrogen productions (3.5 mmol/L and 3.9 mmol/L) were observed under the conditions C7 (2 g/L of yeast extract, 35.8 °C) and C9 (1 g/L of yeast extract, 40 °C), respectively. The low yeast extract concentration and low temperature caused a negative effect on the hydrogen production. By means of denaturing gradient gel electrophoresis 20% of similarity was observed between the archaeal population of mesophilic (35 and 40 °C) and thermophilic (50, 60 and 64 °C) reactors. Likewise, similarity of 22% was noted between the bacterial population for the reactors with the lowest hydrogen production (3.5 mmol/L), at 35.8 °C and with the highest hydrogen production (17.7 mmol/L) at 60 °C demonstrating that microbial population modification was a function of incubation temperature variation.

Otimização da produção de hidrogênio a partir de resíduos de banana: avaliação da diversidade de bactérias autóctones e distribuição funcional

“…A produção de hidrogênio a partir do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) pré-tratado hidrotermicamente (200 °C, 10 min, 16 bar) foi avaliada por Soares et al (2017) utilizando metodologia de superfície de resposta. As condições fixas operacionais incluiam inóculo (10% v/v -1,5 g.L -1 SSV), substrato (2 g.L -1 ) e pH inical 6,0, enquanto as variáveis avaliadas foram concentração de extrato de levedura (0,58-3,42 g.L -1 ) e temperatura (35,8-64,2ºC).…”

“…A concentração máxima de HAc obtida neste estudo (0,79 g.L -1 ) foi 15 vezes superior (0,05 g HAc.L -1 ), a obtida por Soares et al (2017) nas condições otimizadas (60ºC e 3 g.L -1 extrato de levedura) na fermentação de bagaço de cana de açúcar e 26 vezes superior (0,03 g HAc.L -1 ) a obtida por Saraphirom e Reungsang (2010) na fermentação de licor de sorgo (25 g.L -1 carboidratos totais, pH 4,75 e 1,45 g.L -1 FeSO4). Por meio dessas considerações, pode-se indicar o potencial uso do resíduo de banana para produção de ácidos orgânicos, como o HAc, quando comparado aos demais substratos.…”

Otimização da produção de hidrogênio e ácidos orgânicos em reator em batelada a partir de consórcio de bactérias autóctones e alóctones do bagaço de cana-de-açúcar

“…Considerando que cerca de 50% deste BCA é destinado para produção de energia por combustão (Cardona et al, 2010;Rabelo et al, 2011; UNICA, 2017), o remanescente, ainda em consideráveis quantidades, pode ser utilizado para usos alternativos. Desta forma, o uso do BCA como substrato para bioconversão em produtos de valor agregado tem aumentado consideravelmente nas últimas décadas (Cardona et al, 2010;Laser et al, 2002;Rabelo et al, 2017;Soares et al, 2017). A demanda global por hidrogênio está aumentando significativamente, e a utilização deste material como substrato é reconhecida para acompanhar o fornecimento de hidrogênio a custo competitivo no processo em grande escala (Cherubini, 2010).…”

“…Destaca-se, portanto, que cada pré-tratamento tem efeito específico sobre as frações de celulose, hemicelulose e lignina, assim, diferentes métodos e condições de pré-tratamento devem ser escolhidos de acordo com a configuração do processo selecionado para os passos subsequentes de hidrólise e fermentação (Alvira et al, 2010). Os pré-tratamentos ácido, enzimático, explosão a vapor e hidrotérmico já foram aplicados no BCA e a produção fermentativa de hidrogênio foi favorável sob após tais condições (Pattra et al, 2008;Lo et al, 2009b;Ratti et al, 2015b;Soares et al, 2017). Pattra et al (2008) Os autores relataram alto rendimento de hidrogênio (1,2 mol H 2 /g de substrato) com 0,5 g de bagaço in natura juntamente com 0,5 g de bagaço pré-tratado em explosão a vapor.…”

“…Desta forma, o BCA, além de ser utilizado como substrato, foi também fonte de bactérias capazes de auxiliar na bioconversão do próprio BCA. Soares et al (2017) estudaram a produção de hidrogênio a partir de BCA hidrotermicamente pré-tratado (200°C por 10 minutos a 16 bar). Os autores analisaram diferentes concentrações de extrato de levedura como suplemento para crescimento bacteriano e diferentes temperaturas usando metodologia de superfície de resposta para otimização da produção.…”