Influence of Hydraulic Retention Time on Hydrogen Production by Treating Cheese Whey Wastewater in Anaerobic Fluidized Bed Bioreactor - An Approach for Developing Countries

Abstract

This study assessed the effect of hydraulic retention time (HRT) on biohydrogen production by dark fermentation using an anaerobic fluidized bed reactor fed with cheese whey synthetic wastewater. The reactor of 1.2 L was operated with an approximate carbohydrate concentration of 2800 mg L -1 , and HRTs of 6, 4, 2, 1 and 0.5 h. Acetic and butyric acids were the main metabolites produced in the reactor. The hydrogen production increased from 0.039 to 1.43 L-H 2 h -1 L -1 -reactor as the HRT decreased from 6 to 0.5 h. The best hydrogen yield (HY) (2.73 mol-H 2 mol-carbohydrate -1 ) and carbohydrate consumption (81.02%) were achieved at a HRT of 6 h (12.34 kg-COD m -3 d -1 ) followed by the HY of 2.43 mol-H 2 mol-carbohydrate -1 at a HRT of 0.5h (163.02 kg-COD m -3 .d - 1 ). An increase in the influent pH in the operational phase 05 (HRT of 0.5 h) favored hydrogen production despite the reduced carbohydrate conversion compared to phase 01 (HRT of 6 h). In both conditions, the reactor presented the highest amount of acetic acid, indicating that the acetate route favored the hydrogen yield production. The HRT reduction led to an increase in microbial diversity, as evidenced by the Shannon-Wiener coefficient of 2.586, which corresponds to the operational phase with a HRT of 2 h.

Avaliação da produção de biohidrogênio e ácidos orgânicos em reatores acidogênicos a partir de soro de queijo e vinhaça de cana-de-açúcar sem ajuste de pH e de água residuária rica em proteínas gerada em indústria de processamento de atum

“…Apesar dos problemas relatados anteriormente, a produção por fermentação escura contínua de H2 pode ser aprimorada por várias estratégias. Diversos autores descreveram esta tecnologia como promissora e relataram valores de produção volumétrica (PVH) e rendimento (HY) de H2 satisfatórios (ALBANEZ et al, 2016;ARIMI et al, 2015;ANZOLA-ROJAS et al, 2015;ANZOLA-ROJAS e ZAIAT, 2016;ZAIAT e WEVER, 2016;AROOJ et al, 2008;BLANCO;FUESS e ZAIAT, 2017;CARRILLO-REYES et al, 2014;FERNANDES et al, 2013;ETCHEBEHERE;ZAIAT, 2015a;2015b;ZAIAT e NASCIMENTO, 2019;HAFEZ et al, 2009a;2009b;LOVATO et al, 2017;MATSUMOTO;NISHIMURA, 2007;PEIXOTO et al, 2011;PENTEADO et al, 2013).…”

“…Para sistemas anaeróbios com biomassa autoimobilizada empregados no tratamento de efluentes de lacitínio, há uma mudança da biomassa granular para a floculenta ao longo do tempo. Outro problema frequentemente relatado na literatura é uma redução expressiva do rendimento de conversão real do soro a H2 em relação ao rendimento teórico (CASTELLÓ et al, 2018;MARQUES et al, 2019;MONTECCHIO;YUAN;MALPEI, 2018;PERNA et al, 2013;RAMOS;SILVA, 2017;.…”

“…No entanto, a existência de produtos finais reduzidos do processo de fermentação, competindo pelas rotas metabólicas com consumo de H2, bem como frações de substrato não degradadas reduzem significativamente o rendimento de conversão real em comparação com o rendimento teórico (GIOANNIS et al, 2014). Diversas pesquisas apontam o potencial do soro de queijo para a produção de hidrogênio a partir da sua fermentação escura (ANTONOPOULOU et al, 2008;ASUNIS et al, 2019;CASTELLÓ et al, 2009;CHATZIPASCHALI et al, 2012;COLOMBO et al, 2019;DAVILA-VAZQUEZ et al, 2009;GIOANNIS et al, 2014;GOMEZ-ROMERO et al, 2014;LIMA et al, 2015;LOPES;RAMOS;SILVA, 2017;LOVATO et al, 2017;MARQUES et al, 2019;MONTECCHIO;YUAN;MALPEI, 2018;RAMOS et al, 2019;ROSA et al, 2014;VENETSANEAS et al, 2009). Ramos et al (2019) avaliaram os efeitos do TDH (8 -0,25 h) na produção simultânea de hidrogênio e metano a partir do soro de queijo (5000 mg de carboidratos L -1 ) em um reator de leito de lodo granular expandido mesofílico (30°C).…”

“…A combinação de alta temperatura e baixo pH favoreceu termodinamicamente as rotas produtoras de H2, especialmente a rota de oxidação do acetato. Marques et al (2019) estudaram o efeito do TDH na produção de bioH2 por fermentação escura usando um reator anaeróbio de leito fluidizado alimentado com soro de queijo reconstituído. O reator de 1,2 L foi operado com uma concentração aproximada de carboidratos de 2800 mg L -1 e TDHs de 6, 4, 2, 1 e 0,5 h. Os ácidos acético e butírico foram os principais metabólitos produzidos no reator.…”

“…A direção da via metabólica no processo de fermentação pode ser afetada por suas condições ambientais: temperatura, pH e a dinâmica da comunidade microbiana (MARQUES et al, 2019). Apesar dos diversos metabólitos e produtos obtidos neste estudo em relação aos diferentes substratos utilizados e estratégias adotadas para operação, pode-se dizer que todas as etapas apresentaram resultados consistentes com o que foi relatado por Mota et al (2018).…”