Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/29301

Type: Dissertação
Title: Produção biológica de hidrogênio e metano a partir de vinhaça e torta de filtro da cana-de-açúcar
Author(s)/Inventor(s): Haguihara, Gabriel Gomes
Advisor: Ferreira-Leitão, Viridiana Santana
Co-advisor: Freire, Denise Maria Guimarães
Co-advisor: Faber, Mariana de Oliveira
Abstract: A economia brasileira é fortemente baseada na agroindústria, com a cana-de-açúcar ocupando posição de destaque mundial. Nessa indústria, há a geração de volumes significativos de efluentes e resíduos, como a vinhaça e a torta de filtro, majoritariamente destinados à fertirrigação, uma prática com riscos ambientais. A codigestão anaeróbia (CoDA) destes resíduos surge como uma oportunidade: a torta de filtro pode fornecer nutrientes à vinhaça, agregando valor e gerando energia limpa e renovável. Neste trabalho, a produção biológica de hidrogênio (H₂) e metano (CH₄) foi avaliada tanto em estágio único quanto de modo sequencial utilizando vinhaça e torta de filtro. Na etapa de produção de H₂, foram investigados os efeitos da relação matéria orgânica/inóculo (DQO:SSV), do pré-tratamento térmico do inóculo e da suplementação do meio. A produção mostrou-se diretamente proporcional à relação DQO:SSV, com a 3:1 apresentando produtividade (Qp) 173% maior em comparação à de 1:1 e sem mudança no rendimento. O uso de lodo in natura superou o inóculo pré-tratado a 65°C por 30 min, com rendimento 80% maior. A avaliação preliminar da suplementação da vinhaça com peptona indicou uma redução da fase adaptativa de 24 h. Com base nisso, realizou-se a cofermentação da vinhaça com torta de filtro buscando a substituição da suplementação exógena e o efeito sinérgico na produção. A estratégia consistiu em avaliar diferentes proporções das matérias-primas (Vx/Ty), com 'x' e 'y' representando a contribuição percentual de DQO fornecida pela vinhaça (V) e pela torta de filtro (T) ao meio. A condição V50/T50, realizada a 50 °C com lodo in natura, mostrou o melhor desempenho. Comparada à fermentação da vinhaça, essa condição aumentou a Qp em 362% (alcançando 707 N-mL H2·L⁻¹·d⁻¹) e reduziu a fase adaptativa em 80% (de 72 para 14 horas), atingindo uma produção máxima acumulada de 894 N-mL·L⁻¹ de H2 em 5 dias. Adicionalmente, o processo foi escalonado com sucesso para reatores de tanque agitado de 1,5 L e 7,27 L, com produção de 687,3 ± 10 N-mL·L⁻¹ de H2 em 2 dias e manutenção da Qp e tempo de fase adaptativa, demonstrando alta reprodutibilidade (p > 0,05). Na metanogênese direta à 35°C, menores relações DQO:SSV foram melhores: a 1:1 obteve maior rendimento (278 mL CH₄ por grama de DQO consumida - gDQOc) e latência 80% menor frente à 3:1 (172 mL CH₄/gDQOc). Ao comparar os processos, a digestão sequencial do efluente (EPH V50/T50) a 35 °C mostrou-se superior as digestões em único estágio. Em relação à CoDA da mesma mistura (V50/T50), que atingiu 226 mL CH₄/gDQOc, a separação em dois estágios elevou o rendimento para 347 mL CH₄/gDQOc. A via sequencial também garantiu degradação altamente eficiente da matéria orgânica, alcançando 80 % de redução da DQO e superando CoDA em estágio único (70,3%). Os resultados demonstram que a produção sequencial não apenas possibilitou a recuperação energética da fase fermentativa, mas também maximizou a conversão em CH₄. Concluise que o aproveitamento integrado destes resíduos aumenta a recuperação energética global e impulsiona a transição do setor sucroenergético para um modelo sustentável de biorrefinaria orientado ao conceito de resíduo zero.
Abstract: The Brazilian economy is strongly based in the agro-industrial sector, with sugarcane occupying a prominent position on the global stage. In this industry, substantial volumes of effluents and residues are generated, notably vinasse and filter cake, which are predominantly applied via fertigation, a practice associated with potential environmental risks. Anaerobic codigestion (CoAD) of these residues emerges as a promising alternative: filter cake can supply essential nutrients to vinasse, thereby adding value while enabling the generation of clean and renewable energy. In this study, biological hydrogen (H₂) and methane (CH₄) production were evaluated under both single-stage and sequential mode using vinasse and filter cake as substrates. During the H2 production phase, the effects of the organic matter-to-inoculum ratio (COD:VSS), thermal pretreatment of the inoculum, and vinasse supplementation were investigated. H2 production was found to be directly proportional to the COD:VSS ratio, with a ratio of 3:1 yielding a productivity (Qp) 173% higher than that obtained at 1:1. The use of untreated sludge outperformed inoculum pre-treated at 65 °C for 30 minutes, achieving an 80% higher yield. Preliminary assessment of vinasse supplementation indicated a 24-hour reduction in the lag phase. Based on these findings, co-fermentation of vinasse and filter cake was conducted to replace exogenous supplementation and explore potential synergistic effects. The adopted strategy involved evaluating different substrate proportions (Vx/Ty), where “x” and “y” represent the percentage contribution of COD from vinasse (V) and filter cake (T), respectively. The V50/T50 condition, conducted at 50 °C using untreated sludge, exhibited the best performance. Compared to vinasse mono-fermentation, this condition increased Qp by 362% (reaching 707 N-mL H₂·L⁻¹·d⁻¹) and reduced the lag phase by 80% (from 72 to 14 hours), achieving a maximum cumulative hydrogen production of 894 N-mL·L⁻¹ within 5 days. Furthermore, the process was successfully scaled up to stirred-tank reactors of 1.5 L and 7.27 L, yielding 687.3 ± 10 N-mL·L⁻¹ of H₂ within 2 days, while maintaining both Qp and lag phase duration, thus demonstrating high reproducibility (p > 0.05). In direct methanogenesis at 35 °C, lower COD:VSS ratios were more favorable: the 1:1 ratio achieved a higher yield (278 mL CH₄ per gram of COD consumed, gCODc) and an 80% shorter lag phase compared to the 3:1 ratio (172 mL CH₄/gCODc). When comparing methanogenic processes, sequential digestion of the effluent (EPH V50/T50) at 35 °C outperformed single-stage digestion. Relative to CoAD of the same mixture (V50/T50), which reached 226 mL CH₄/gCODc, the two-stage configuration increased the yield to 347 mL CH₄/gCODc. The sequential pathway also ensured highly efficient organic matter degradation, achieving an 80% COD removal and surpassing single-stage CoAD (70.3%). These results demonstrate that sequential production not only enables energy recovery from the fermentative phase but also maximizes methane conversion. It is concluded that the integrated valorization of these residues enhances overall energy recovery and supports the transition of the sugar-energy sector toward a sustainable, zero-waste biorefinery model.
Keywords: Vinhaça
Torta de filtro
Hidrogênio
Metano
Cofermentação
Codigestão anaeróbia
Sugarcane vinasse
Filter cake
Hydrogen
Methane
Cofermentation
Anaerobic codigestion
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Bioquímica
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 29-Apr-2026
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Citation: HAGUIHARA, Gabriel Gomes. Produção biológica de hidrogênio e metano a partir de vinhaça e torta de filtro da cana-de-açúcar. 2026. 166 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Bioquímica, Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2026.
Appears in Collections:Bioquímica

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
GGHaguihara.pdf1.49 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.