Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/28061

Type: Tese
Title: Produção de hidrogênio e metano a partir de vinhaça e hemicelulose da palha de cana-de-açúcar: processos individuais e integrados para o aproveitamento biotecnológico de subprodutos da indústria sucroalcooleira
Author(s)/Inventor(s): Tomasini, Marina Cristina
Advisor: Ferreira-Leitão, Viridiana Santana
Co-advisor: Teixeira, Ricardo Sposina Sobral
Abstract: A cana-de-açúcar desempenha papel estratégico na economia brasileira, sendo a principal matéria-prima para açúcar e etanol. Na safra 2025/26, o Brasil consolida-se como maior produtor mundial, com estimativa de 669 milhões de toneladas de cana e cerca de 27 bilhões de litros de etanol. A produção desse biocombustível gera grandes volumes de efluentes, como a vinhaça (10 a 15 L por litro de etanol) e, paralelamente, cerca de 140 kg de palha por tonelada de cana colhida. Atualmente, a vinhaça destina-se à fertirrigação e a palha ao manejo do solo no pós-colheita. A vinhaça, rica em matéria orgânica e minerais quando utilizada de forma contínua e sem manejo adequado na fertirrigação, pode causar poluição do solo e das águas subterrâneas. Já a palha da cana, um resíduo lignocelulósico, ainda representa desafios: o acúmulo deste material no campo e seu potencial energético é subaproveitado. Embora contenha cerca de um terço dos carboidratos estruturais da cana, parte desses açúcares, especialmente as pentoses da hemicelulose, só é convertida em etanol de segunda geração por microrganismos geneticamente modificados, o que torna o processo economicamente desafiador e ainda pouco competitivo em relação ao etanol de primeira geração. Nesse contexto, a elevada DQO da vinhaça e os carboidratos da palha despontam como fontes estratégicas para a produção de hidrogênio (H₂) e metano (CH₄) via fermentação e digestão anaeróbia, possibilitando simultaneamente o tratamento de resíduos e a geração de bioenergia. Este estudo teve como objetivo produzir H₂ a partir da vinhaça e do hidrolisado hemicelulósico (HH) da palha, em mono-fermentação e em cofermentação, além de gerar CH₄ de forma sequencial a partir dos efluentes das fermentações. Lodo anaeróbio de estação de tratamento de esgoto foi utilizado como inóculo. Sistemas selados ou com liberação de gás foram utilizados para entender os efeitos da pressão parcial de hidrogênio na etapa de fermentação. A produção de H₂ a partir da vinhaça (25 gDQOt/L) atingiu 246 NmL/L em 48 horas, sob condição termofílica (50 °C), pH 5,5, utilizando reator acoplado a manômetro e válvula de liberação de gás, evitando que a pressão excedesse 0,6 bar. A pressão parcial não foi um fator dominante na inibição da produção de H₂, pois o estudo comparativo com frasco selado não apresentou diferenças significativas em relação ao reator com controle de pressão, indicando que, nas condições estudadas, a complexidade do processo está mais associada às características do efluente. Nas fermentações com hidrolisado hemicelulósico, foram avaliadas concentrações de 1, 5 e 10 g/L de carboidratos em reatores selados, nas mesmas condições de pH e temperatura aplicadas à vinhaça. O desvio de rota, principalmente para a via homoacetogênica, foi observado devido à concentração de gás no sistema, que favoreceu a ativação dessa via. Em concentrações mais elevadas, como 10 g/L, a fermentação realizada em reator manométrico com liberação de gás atingiu 1108 NmL/L em 24 horas, um valor 82% superior ao obtido no sistema selado. A cofermentação da vinhaça e do hidrolisado melhorou a adaptação microbiana ao meio com vinhaça, resultando no aumento de 58% de H₂ em comparação à fermentação apenas com vinhaça, atingindo 387 NmL/L de H₂, com relação C/N 24. Neste estudo foi evidenciado que os carboidratos do hidrolisado auxiliaram na digestibilidade da vinhaça pelos microrganismos. A produção sequencial de CH₄ a partir do efluente da cofermentação gerou 4529 NmL/L (343 NmL/gDQO); o efluente da mono-fermentação da vinhaça alcançou 3618 NmL/L (386 NmL/gDQO), frente a 2628 NmL/L (185 NmL/gDQO) obtidos na digestão direta da vinhaça in natura. Já a digestão em dois estágios do efluente do hidrolisado elevou a produção de CH₄ em cerca de cinco vezes (1259 NmL/L; 190 NmL/gDQO), comparada à digestão em um estágio (253 NmL/L; 20 NmL/gDQO). A separação da digestão anaeróbia em dois estágios permitiu o pré-tratamento da matéria-prima para a etapa metanogênica, resultando em maiores ganhos na produção e concentração de CH4 no biogás. Este estudo destaca os benefícios da cofermentação e da digestão em dois estágios para a integração da bioenergia em biorrefinarias de cana-de-açúcar.
Abstract: Sugarcane plays a strategic role in the Brazilian economy, serving as the primary raw material for sugar and ethanol production. In the 2025/26 harvest, Brazil consolidated its position as the world's largest producer, producing 669 million tons of sugarcane and approximately 27 billion liters of ethanol. Ethanol production generates significant volumes of effluents, such as vinasse, with about 10 to 15 liters produced per liter of distilled ethanol. Additionally, sugarcane harvesting and processing generate around 140 kg of straw per ton of harvested cane. Currently, the main uses of these byproducts are fertigation for vinasse, while sugarcane straw is used for soil management after harvest. Vinasse, a material rich in organic load (COD) and minerals, can lead to soil and groundwater pollution when applied continuously and without proper management. Given the large volumes produced, sustainable management strategies are essential. Sugarcane straw, a lignocellulosic residue, also presents challenges: its accumulation in the field and its energy potential remain underutilized. Although it contains ne-third of the structural carbohydrates of sugarcane, part of these sugars, particularly hemicellulosic pentoses from the hemicellulosic fraction, can only be converted into second-generation ethanol by genetically modified microorganisms, making the process economically challenging and still less competitive than first-generation ethanol. In this context, the high COD of vinasse and the carbohydrates from straw hemicellulose emerge as strategic substrates for hydrogen (H₂) and methane (CH₄) production through fermentation and anaerobic digestion, providing both waste treatment and bioenergy generation. This study aimed to produce H₂ from vinasse and hemicellulose hydrolysate (HH) of sugarcane straw, both individually and through co-fermentation, and to sequentially generate CH₄ from the fermentation effluents. Anaerobic sludge from a wastewater treatment plant was used as inoculum. Both sealed systems and gas-releasing systems were evaluated to assess the effects of partial pressure. Hydrogen production from vinasse (25 gCOD/L) reached 245.86 NmL/L within 48 hours under thermophilic conditions (50 °C, pH 5.5) using a manometric reactor equipped with a gas release valve to prevent pressure from exceeding 0.6 bar. Partial pressure was not a dominant inhibitory factor for H₂ production, as comparison with sealed reactors revealed no significant differences, indicating that the complexity of the process is more closely associated with the characteristics of the effluent. Fermentation with hemicellulose hydrolysate was evaluated for carbohydrate concentrations of 1, 5, and 10 g/L in sealed reactors under the same pH and temperature conditions. Pathway shifts, primarily towards the homoacetogenic pathway, were observed due to gas accumulation, which favored its activation. At higher concentrations, such as 10 g/L, fermentation using a manometric reactor with gas release achieved 1107.97 NmL/L in 24 hours, an 82% increase compared to the sealed system. Co-fermentation of vinasse and hydrolysate improved microbial adaptation to the medium, resulting in a 58% increase in H₂ production compared to vinasse mono-fermentation, reaching 386.60 NmL/L of H₂ with a C/N ratio of 24. This study demonstrated that carbohydrates from the hydrolysate enhanced the digestibility of vinasse by microorganisms. Sequential CH₄ production from the co-fermentation effluent reached 4529 NmL/L (343 NmL/gCOD), while the effluent from single-stage vinasse fermentation achieved 3618 NmL/L (386 NmL/gCOD), compared to 2628 NmL/L (185 NmL/gCOD) obtained from the direct digestion of raw vinasse. Two-stage digestion of the hydrolysate effluent increased CH₄ production approximately five-fold (1259.37 NmL/L; 190 NmL/gCOD) compared to single-stage digestion (253.40 NmL/L; 20 NmL/gCOD). The separation of anaerobic digestion into two stages allowed for substrate pretreatment for the methanogenesis, resulting in greater CH4 production and concentrations in the biogas. Overall, this study highlights the benefits of co-fermentation and two-stage digestion for enhancing bioenergy integration within sugarcane biorefineries.
Keywords: Hidrogênio
Metano
Fermentação
Digestão anaeróbia
Biogás
Vinhaça
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Bioquímica
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 31-Oct-2025
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Citation: TOMASINI, Marina Cristina. Produção de hidrogênio e metano a partir de vinhaça e hemicelulose da palha de cana-de-açúcar: processos individuais e integrados para o aproveitamento biotecnológico de subprodutos da indústria sucroalcooleira. 2025. 299 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
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