M ÅLEMETODER

A configuração do reator exerce grande influência nos processos biológicos que ocorrem em seu interior, uma vez que determina a hidrodinâmica do sistema e, assim, os processos de transferência de massa e a forma de crescimento da biomassa (suspensa, em grânulos ou aderida) no sistema.

47 3. Revisão Bibliográfica

A maioria dos estudos voltados para a produção de H2 vem sendo realizada

em reatores de mistura (em inglês continuous stirred tank reactor - CSTR), por permitir melhor contanto entre biomassa e substrato e diminuir a resistência à transferência de massa no reator, permitindo a transferência do H2 do meio líquido

para gasoso. No entanto, nos reatores CSTR a biomassa fica suspensa no meio líquido e o tempo de retenção celular (TRC) é igual ao tempo de detenção hidráulica (TDH), limitando a concentração de biomassa no sistema (Wang & Wan, 2009). Contudo, de acordo com Hawkes, Hussy, Kyazze, Dinsdale, & Hawkes (2007), microrganismos consumidores de H2 podem ser inibidos ao se aplicar baixos tempos

de detenção hidráulica (TDH) aos reatores. Dessa forma, reatores com biomassa imobilizada são uma alternativa, sejam eles com biomassa granular ou aderida ao meio suporte, pois são capazes de operar com baixos TDH, mas mantendo o TRC alto, o que permite a manutenção de biomassa acidogênica especializada.

Babu, Mohan, & Sarma (2009) encontraram resultados superiores de produção de H2 em reatores com biofilme, se comparados com reatores de

crescimento disperso. Show et al. (2010), estudando reatores com células imobilizadas e suspensas, obtiveram melhores resultados para a produção de H2

utilizando processo com lodo granular. Entre os reatores com biomassa imobilizada mais comuns estão os reatores de leito empacotado e o UASB.

Os reatores de leito empacotado (também chamados leito fixo), com partículas biocatalíticas imobilizadas, têm sido largamente usados pela indústria. Por exemplo, enzimas imobilizadas são utilizadas para a isomerização da glicose nesse tipo de reator, os quais também são utilizados para a hidrólise seletiva da penicilina (Bailey & Ollis, 1986).

Uma forma primitiva de reator de leito fixo foi descrita por Young & McCarty (1969) para a produção de metano por substrato sintético à base de carboidratos e proteínas, utilizando rochas como suporte de biomassa. Esses reatores, denominados originalmente de filtros anaeróbios, são geralmente tratados com o modelo de escoamento pistonado e, nas configurações mais comuns para o tratamento de efluentes, partículas suporte inertes são adicionadas ao reator e a biomassa adere por meio da formação de biofilmes. O material, o formato e tamanho das partículas interferem na área superficial disponível para a aderência microbiana

e no escoamento do fluido entre as partículas, podendo levar à formação de caminhos preferenciais e pequenas zonas de recirculação interna.

Reatores UASB são amplamente conhecidos por permitirem a auto imobilização dos microrganismos através formação de lodo granular, resultando em um sistema robusto de tratamento para efluentes com alta carga orgânica, que permite operações com baixo TDH e alto TRC. Sistemas de tratamento utilizando reatores UASB em duas fases, ou seja, acoplando um reator para acidogênese e um segundo para metanogênese, têm sido utilizados para garantir a manutenção das condições ambientais específicas para cada comunidade microbiana (Fox & Pohland, 1994).

No entanto, o enfoque na produção de metano deixou uma lacuna no conhecimento sobre o desempenho de reatores de leito empacotado e UASB na produção de H2 e os efeitos das condições operacionais em sua eficiência,

principalmente quando se trata de operação sob condição termofílica.

Para adquirir esse conhecimento, alguns estudos utilizando reatores UASB para a produção de H2 foram desenvolvidos nos últimos anos, contudo ainda são

poucos e apresentam divergências para consolidar os resultados. Gavala, Skiadas, & Ahring (2006), operando reator UASB a 35°C, não encontraram diferença significativa no rendimento de H2 (YH2) (0.7molH2-mol-sac-1) quando submeteram o

reator a TDH de 12 a 2 h, utilizando glicose como substrato. Yu & Mu (2006), operando UASB alimentado com substrato à base de sacarose, observaram aumento no YH2 ao aumentar o TDH de 3 h para 14 h, atingindo a valor máximo de

2.02 molH2.mol-sac-1, decrescendo com o aumento do TDH para 30 h. Akutsu et al.

(2009), notaram efeito negativo na produção de H2 ao impor decréscimo gradual do

TDH de 48 h para 3 h ao reator UASB alimentado com amido e operando a 55°C, sendo o valor máximo obtido igual a 1.7 molH2.mol-sac-1 com TDH de 48 h. Dong et

al. (2011), alimentando reator UASB termofílico (55°C) com substrato à base de sacarose, variaram o TDH entre 50 e 12 h e obtiveram apenas uma pequena flutuação nos valores de YH2 (2.42 a 3.06 molH2.mol-suc-1). Jung, Kim, Lee, & Shin

(2012) variando o TDH do reator UASB entre 12 h e 2 h, para a produção de H2 a

partir de efluente de fábrica de café a 55°C, encontraram YH2 máximo de (4.96

49 3. Revisão Bibliográfica

Em relação aos reatores de leito empacotado, embora estudos em temperatura mesofílica tenham apresentado a viabilidade do uso desta configuração (Chang, Lee, & Lin, 2002), tem sido observada a queda na produção de H2 após

períodos que variam de 15 a 23 dias de operação (Fernandes et al., 2013; Lima, Moreira, & Zaiat, 2013; Penteado, Lazaro, Sakamoto, & Zaiat, 2013; Lima & Zaiat, 2012). A possível causa apontada seria a presença de microrganismos consumidores de H2 e/ou mudança de rota metabólica da própria comunidade

produtora de H2 devido à diminuição do substrato disponível (relação

substrato/microrganismos).

Kongjan & Angelidaki (2010), realizaram estudo comparativo entre as configurações UASB e filtro anaeróbio com suporte plástico, operados à 70°C, para produção de hidrogênio a partir de hemicelulose hidrolisada. Utilizando TDH de 24 h e 12 h, e COV de 3,9 e 7,8 g-açúcar.h-1.L-1, a operação com TDH de 24 h e 3,9 g- açúcar.h-1.L-1 foi a mais adequada e o reator UASB apresentou os melhores resultados de produção de H2 (821,4 ± 24,1 mL-H2.d-1.L-1 e 212,0 ± 24,1 mL-H2.g-

açúcar-1). Porém, poucos estudos foram realizados comparando reatores UASB e de leito empacotado e, uma vez que o substrato, a temperatura de operação, pH inicial afetam a produção de H2, mais estudos devem ser realizados visando a comparação

entre as configurações, sob as mesmas condições operacionais, para apontar a mais adequada.