BRPI0618883A2

BRPI0618883A2 - aparelho de fermentação de hidrogênio e método para produzir hidrogênio

Info

Publication number: BRPI0618883A2
Application number: BRPI0618883-4A
Authority: BR
Inventors: Ryo Atsumi; Yasuhiro Oki; Taiju Masuda; Yutaka Mitani
Original assignee: Sapporo Breweries
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2011-09-13
Also published as: BRPI0618883A8; JP5374044B2; WO2007060791A1; JPWO2007060791A1; CN101312795A; US20090263876A1; US7968322B2; TW200724674A

Abstract

APARELHO DE FERMENTAçãO DE HIDROGéNIO E MéTODO PARA PRODUZIR HIDROGêNIO. A presente invenção refere-se a um aparelho de fermentação de hidrogênio que gera hidrogênio por decomposição de matéria orgânica através de fermentação de hidrogênio. Estão dispostos um fermentador de hidrogênio (2), que contém o líquido de tratamento que contém matéria orgânica, e um suporte em forma de cordão (6), que está posicionado para imergir no líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio (2) e no qual estão fixadas bactérias geradoras de hidrogênio.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO DE FERMENTAÇÃO DE HIDROGÊNIO E MÉTODO PARA PRODUZIR HI- DROGÊNIO"

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um aparelho de fermentação de hidrogênio, que gera hidrogênio de matéria orgânica através de fermentação de hidrogênio, e a um método de produção de hidrogênio.

TÉCNICA ANTERIOR

Convencionalmente, a remoção de desperdícios de alimentos, tal como lixo, e desperdícios agrícola e de criação de animais tem se tornado uma questão social grave. Nesse ponto, é desejável o desenvolvimento de tecnologia para tratamento de biomassa.

Em resposta ao movimento, é promovido o desenvolvimento de tecnologia para tratar desperdícios orgânicos usando fermentação anaeróbi- ca. A fermentação anaeróbica é governada pelo objetivo da formação de metano através da decomposição de matéria orgânica. Esse tipo de fermen- tação anaeróbica consiste em duas etapas: a etapa formadora de ácido, que realiza a hidrólise de matéria orgânica, tal como carboidrato, proteína e lipí- dio, para gerar ácido orgânico; e a etapa de fermentação de metano, que decompõe o ácido orgânico em metano, dióxido de carbono e água (por e- xemplo, com referência aos Documentos de Patente 1 a 3).

A etapa formadora de ácido também é chamada de etapa de fermentação de hidrogênio, porque hidrogênio é gerado na decomposição de matéria orgânica. A fermentação anaeróbica não está focalizada no hidrogê- nio, e o hidrogênio gerado tem sido consumido para uso pelo bacilo de me- tano, redução do aceitante de elétrons e aquisição de energia por outras bactérias e assim por diante.

Nos últimos anos, a fermentação de hidrogênio, que visa a gera- ção de hidrogênio através da decomposição de matéria orgânica, tem cha- mado a atenção do ponto de vista do uso efetivo de hidrogênio como uma energia limpa (por exemplo, com referência aos Documentos de Patente 4 a 6). Documento de Patente 1: JP-A-2001-149983 (o termo "JP-A" usado no presente, significa a "Publicação de Patente Japonesa Não- Examinada").

Documento de Patente 2: JP-A-2005-66420

Documento de Patente 3: JP-A-2005-125149

Documento de Patente 4: JP-A-2003-251312

Documento de Patente 5: JP-A-2005-13045

Documento de Patente 6: JP-A-2005-193122

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

PROBLEMAS A SEREM SOLUCIONADOS PELA INVENÇÃO

Os Documentos de Patente 1 a 6 acima adotam o tipo de mistu- ra completa do tanque de tratamento biológico, que opera em um estado de micro-organismos suspensos no líquido de tratamento. No campo do trata- mento biológico, porém, existe uma tecnologia amplamente conhecida, de fixar micro-organismos sobre um suporte, visando aumentar a concentração de micro-organismos no tanque, para aperfeiçoar a velocidade da remoção dos poluentes. Esse tipo de método de tratamento, que usa um suporte, tem diversos tipos; o método de leito fixo, que realiza o tratamento fixando um suporte, sobre o qual estão fixados os micro-organismos, em uma posição especificada no tanque; e o método de leito fluidizado, que faz com que um suporte, sobre o qual estão fixados micro-organismos, se fluidifique, por in- trodução do suporte no tanque.

Qualquer um dos métodos acima, o método de leito fixo e o mé- todo de leito fluidizado, porém, tem problemas descritos abaixo, quando é aplicado na fermentação de hidrogênio, e tem de ser aperfeiçoado, antes de sua aplicação prática.

Isto é, para o caso do método de leito fixo, o suporte é fixado de tal modo que a heterogênese de micro-organismos seja difícil de prosseguir, e bactérias mortas permanecem sobre a superfície do suporte, para diminuir a área de contato entre matéria orgânica e suporte, o que reduz a eficiência do tratamento. Além disso, ao tratar líquido que contém matéria sólida para a fermentação de hidrogênio, matéria sólida desnecessária adere à superfície do suporte ou entope, obstrui ou bloqueia o suporte, o que também reduz a eficiência do tratamento. Como resultado, é necessária manutenção, tal co- mo retrolavagem.

Por outro lado, para o caso do método de leito fluidizado, os su- portes entram em contato um com o outro durante a fluidificação do suporte, para separar micro-organismos do suporte em um grau adequado, desse modo suprimindo a redução da área de contato entre o líquido de tratamento e o suporte. Portanto, o método de leito fluidizado pode ser apropriado em termos de eficiência de tratamento, comparado com o método de leito fixo.

De acordo com um estudo dos inventores da presente invenção, porém, o método de leito fluidizado não sustenta a fluidificação homogênea contra as variações de concentração de matéria sólida e as variações de propriedade e gravidade específica do líquido de tratamento, e uma eficiência de trata- mento suficiente não é, necessariamente, obtida facilmente. Particularmente, quando o líquido de tratamento contém uma quantidade grande de matéria sólida, o contato entre o suporte suspenso no líquido de tratamento e a ma- téria sólida sedimentada na seção inferior do líquido de tratamento torna-se difícil, o que reduz a eficiência do tratamento de fermentação de hidrogênio.

Além disso, a separação do suporte fluidificado do líquido de tratamento é difícil e quando o líquido de tratamento contém matéria sólida, as bactérias geradoras de hidrogênio aderem na matéria sólida, provavelmente, para in- duzir a descarga das bactérias geradoras de hidrogênio do fermentador de hidrogênio.

A presente invenção foi feita para solucionar os problemas aci- ma da técnica anterior, e um objeto da presente invenção é pôr à disposição um aparelho de fermentação de hidrogênio que, ao gerar hidrogênio de ma- téria orgânica através da fermentação de hidrogênio, garante um tratamento eficiente e estável do líquido de tratamento, mesmo quando o líquido de tra- tamento contém matéria sólida, e suprime totalmente a descarga das bacté- rias geradoras de hidrogênio do fermentador de hidrogênio, e pôr à disposi- ção um método para produzir hidrogênio.

MEIOS PARA SOLUCIONAR OS PROBLEMAS Para solucionar os problemas acima, a presente invenção põe à disposição um aparelho de fermentação de hidrogênio, para gerar hidrogênio por decomposição de matéria orgânica através de fermentação de hidrogê- nio, que compreende: um fermentador de hidrogênio, que aloja um líquido de tratamento contendo matéria orgânica; e um suporte em forma de cordão, sobre o qual são fixadas bactérias geradoras de hidrogênio, que estão loca- lizadas no fermentador de hidrogênio, de modo a entrar em contato com o líquido de tratamento.

O termo "bactérias geradoras de hidrogênio", referido no presen- te, significa os micro-organismos que têm a capacidade de gerar hidrogênio.

De acordo com o aparelho de fermentação de hidrogênio da presente invenção, um suporte em forma de cordão é usado como suporte para fixar as bactérias geradoras de hidrogênio. Consequentemente, as bac- térias geradoras de hidrogênio e a matéria orgânica no líquido de tratamento são retidas suficientemente e estavelmente no suporte e a eficiência de con- tato entre as mesmas é aumentada. Como resultado, a fermentação de hi- drogênio pelas bactérias geradoras de hidrogênio é realizada eficientemente. Como o suporte em forma de cordão é flexível em natureza, é realizada com eficiência e segurança a separação de matéria sólida desnecessária, bacté- rias geradoras de hidrogênio mortas e similares, aderidas ao suporte em for- ma de cordão, e realiza, ainda, a separação de gás de hidrogênio, gerado na profundidade das fibras do suporte em forma de cordão, devido à corrente de líquido de tratamento criada pela corrente de entrada e saída do líquido de tratamento do e para o tanque e, ainda, pela corrente de líquido de trata- mento induzida por agitação e circulação do mesmo durante o tratamento de fermentação de hidrogênio.

Se o líquido de tratamento contiver uma grande quantidade de matéria sólida, por exemplo, 250 mg/l ou mais, de concentração de matéria sólida no líquido de tratamento, um aparelho de fermentação de hidrogênio convencional não consegue atender a quantidade necessária de hidrogênio gerado e o índice de redução de matéria sólida. Com o aparelho de fermen- tação de hidrogênio de acordo com a presente invenção, no entanto, pode ser gerado um volume suficiente de hidrogênio e a quantidade de matéria sólida no líquido de tratamento pode ser completamente reduzida.

Além disso, como o aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a presente invenção fixa as bactérias geradoras de hidrogênio no suporte em forma de cordão, não há necessidade de meios para separar o suporte do líquido de tratamento, meio de separação esse que é necessá- rio no método de leito fluidizado da técnica anterior, e a descarga das bacté- rias geradoras de hidrogênio do fermentador de hidrogênio pode ser sufici- entemente suprimida.

Consequentemente, o aparelho de fermentação de hidrogênio da presente invenção realiza um contato excelente entre o líquido de trata- mento e as bactérias geradoras de hidrogênio, que estão fixadas no suporte em forma de cordão, executa eficientemente e estavelmente a fermentação de hidrogênio e suprime totalmente a descarga das bactérias geradoras de hidrogênio do fermentador de hidrogênio, mesmo quando o líquido de trata- mento contém matéria sólida.

Os efeitos descritos acima do aparelho de fermentação de hi- drogênio de acordo com a presente invenção são obtidos na base das des- cobertas dos inventores da presente invenção: contato suficiente e estável entre as bactérias geradoras de hidrogênio e a matéria orgânica é crítico para o caso de fermentação de hidrogênio relativamente lenta, enquanto o aparelho de fermentação de hidrogênio da técnica anterior é insuficietne nesse ponto. Os efeitos da presente invenção são que as bactérias gerado- ras de hidrogênio e a matéria orgânica podem ser retidas de modo suficiente e estável no suporte, aplicando o método de tratamento que usa um suporte em forma de cordão, que está classificado para o método de leito fixo, para a fermentação de hidrogênio, e, ainda, que as substâncias aderidas e o gás de hidrogênio gerado no decorrer do curso da fermentação de hidrogênio po- dem ser separados eficientemente do suporte de fixação. Esses efeitos são inesperados em vista do nível tecnológico da técnica anterior, pelo fato de que o método de leito fluidizado é aceito como apropriado para a fermenta- ção de hidrogênio em termos de eficiência de tratamento. O termo "base fi- xa" (também chamada de "camada fixa"), referido no presente, significa a estrutura da camada de reação, na qual, quando um fluido é introduzido em um reator, contendo partículas e similar, as partículas não se movem a uma velocidade de corrente baixa do fluido, enquanto o fluido passa través do intervalo entre as partículas (veja "Bioreactor", Atokinson, traduzido por Sa- buro Fukui e Tsuneo Yamana como "Tubular Fermentor")· O termo "base fluidificada" (também chamada de "camada fluidificada"), referido no presen- te, significa a estrutura do retor, no qual, quando um fluido é introduzido em um reator contendo partículas e similar, e quando.a velocidade de carga do fluido é aumentada, a resistência à corrente aplicada às partículas torna-se igual ao peso das partículas a uma determinada velocidade de corrente, e na região de corrente acima da velocidade igual, as partículas passam para um estado dinamicamente suspenso. Desse modo, a camada de partículas se expande no reator, e elas se movem sem permanecer em um ponto. Tam- bém a camada de partículas total transforma-se em um estado fluente, para assemelhar-se a uma única camada fluida. Esse tipo de estado da camada de partículas é chamado de leito fluidizado ou camada fluidificada (veja "Fluidized bed and Spouted bed" do Chemical Engineering Handbook, edita- do por The Society of Chemical Engineers, Japão).

O suporte em forma de cordão no aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a presente invenção tem, de preferência, uma estrutura trançada, na qual uma pluralidade de pequenos laços de fibras forma um padrão rendado. Com o uso desse suporte em forma de cordão com essa estrutura trançada, uma grande quantidade de bactérias gerado- ras de hidrogênio pode ser fixada no suporte em forma de cordão e a reten- ção de matéria orgânica no suporte em forma de cordão e a separação de substâncias aderidas e hidrogênio do suporte em forma de cordão podem ser aperfeiçoadas.

O aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a pre- sente invenção compreende, ainda, de preferência, um retentor, que retém o suporte em forma de cordão em um estado esticado por fixação das duas extremidades do suporte em forma de cordão. Com o retentor, é obtido um posicionamento desejado do suporte em forma de cordão, enquanto garante totalmente a retenção da matéria orgânica no suporte em forma de cordão, desse modo, aumentando a liberdade da configuração do aparelho. Além disso, quando o aparelho de fermentação de hidrogênio tem uma pluralidade de suportes em forma de cordão, é evitado o fenômeno do entrelaçamento dos suportes em forma de cordão, sob uma corrente de líquido de tratamen- to gerada. O suporte em forma de cordão pode ser fixado em apenas uma extremidade do mesmo. Nesse caso, porém, é possível que ocorra o entre- laçamento dos suportes em forma de cordão e, ainda, o atrito dos suportes em forma de cordão um com o outro. Consequentemente, para a fermenta- ção de hidrogênio, que é uma fermentação relativamente moderada, a re- tenção da matéria orgânica no suporte em forma de cordão é deteriorada, e a eficiência do tratamento pode diminuir.

O retentor compreende, de preferência, duas extremidades, que estão posicionadas para estar voltadas uma para a outra e têm uma estrutu- ra de rede, e uma armação que retém as duas extremidades a uma distância especificada uma da outra, enquanto o suporte em forma de cordão é fixado em suas duas extremidades terminais nas respectivas duas extremidades do retentor. Com essa configuração, o líquido de tratamento passa através da abertura de malha na extremidade do retentor, mesmo se uma corrente de líquido de tratamento ocorrer ao longo da direção de extensão do suporte em forma de cordão, desse modo, a redução da eficiência de contato entre as bactérias geradoras de hidrogênio fixadas no suporte em forma de cordão e a matéria orgânica é totalmente suprimida.

O aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a pre- sente invenção compreende, ainda, de preferência, um meio de mistura, pa- ra misturar o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio, e o meio de mistura tem, de preferência, um agitador, que é capaz de girar em torno de um eixo rotativo, que se estende na direção de extensão do suporte em forma de cordão.

Com esse meio de mistura para agitar o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio, a corrente de líquido de tratamento chega pro- fundamente dentro das fibras do suporte em forma de cordão, o que aperfei- çoa, adicionalmente, tanto a retenção da matéria orgânica no suporte de fi- xação como a separação das substâncias aderidas e do gás de hidrogênio do suporte de fixação, desse modo, obtendo um nível extremamente alto de eficiência do tratamento.

O meio de mistura do aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a presente invenção tem, de preferência, uma linha de circula- ção conectada ao fermentador de hidrogênio, nas duas extremidades do mesmo, e cria uma corrente do líquido de tratamento dentro do fermentador de hidrogênio, retirando o líquido de tratamento no fermentador de hidrogê- nio de uma extremidade do mesmo e introduzindo o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio pela outra extremidade do mesmo. Com essa linha de circulação para circular o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio, é obtido um nível extremamente alto de eficiência de tratamento.

Nesse caso, o agitador pode estar existente ou não-existente. Mesmo se o agitador não existir, a linha de circulação funciona eficientemente como meio de mistura. Portanto, a adaptação do aparelho de fermentação de hidrogênio é realizada facilmente. Além disso, um meio de mistura, com a linha de cir- culação e sem-agitador, não tem nenhuma influência sobre a força de cisa- lhamento causada pelo agitador. Por conseguinte, mesmo quando são usa- das as bactérias geradoras de hidrogênio, que são facilmente afetadas em seu crescimento por força de cisalhamento, a fermentação de hidrogênio é realizada favoravelmente.

Além disso, a presente invenção põe à disposição um método para produzir hidrogênio por decomposição de matéria orgânica através da fermentação de hidrogênio, que compreende a etapa de pôr o líquido de tra- tamento, que contém matéria orgânica, em contato, dentro do fermentador de hidrogênio, com o suporte em forma de cordão, no qual estão fixadas as bactérias geradoras de hidrogênio.

De acordo com o método para produzir hidrogênio da presente invenção, o uso de um suporte em forma de cordão como suporte para fixar bactérias geradoras de hidrogênio, pode reter de modo suficiente e estável as bactérias geradoras de hidrogênio e a matéria orgânica no líquido de tra- tamento no suporte, desse modo, realizando eficientemente a produção de hidrogênio pelas bactérias geradoras de hidrogênio.

De acordo com o método para produzir hidrogênio da presente invenção, a fermentação de hidrogênio pode ser realizada de modo eficiente e estável, mesmo se o líquido de tratamento contiver matéria sólida, e a descarga das bactérias geradoras de hidrogênio do fermentador de hidrogê- nio pode ser suprimida totalmente.

O suporte em forma de cordão usado no método para produzir hidrogênio de acordo com a presente invenção tem, de preferência, uma estrutura trançada, na qual as fibras formam um padrão rendado. Como o suporte em forma de cordão tem uma estrutura trançada, uma grande quan- tidade de bactérias geradoras de hidrogênio pode ser fixada no suporte em forma de cordão. Além disso, a retenção de matéria orgânica no suporte em forma de cordão e a separação de substâncias aderidas e gás de hidrogênio de suporte em forma de cordão podem ser aperfeiçoadas.

De acordo com o método para produzir hidrogênio da presente invenção, é preferível que o suporte em forma de cordão seja retido por um retentor em um estado estendido, fixando as duas extremidades do suporte em forma de cordão. Com a configuração, é obtido um posicionamento de- sejado do suporte em forma de cordão, enquanto está totalmente garantida a retenção da matéria orgânica no suporte em forma de cordão, desse modo aumentando a liberdade da configuração do aparelho. Além disso, quando o aparelho de fermentação de hidrogênio tem uma pluralidade de suportes em forma de cordão, é evitado o entrelaçamento dos suportes em forma de cor- dão um com o outro, sob uma corrente gerada do líquido de tratamento.

O retentor compreende, de preferência, duas extremidades, que estão posicionadas para estar voltadas uma para a outra e têm uma estrutu- ra de rede, e a armação que mantém as duas extremidades a uma distância especificada uma da outra. Com essa configuração, o líquido de tratamento passa través da abertura de malha na extremidade do retentor, mesmo quando ocorreu uma corrente de líquido de tratamento ao longo da direção de extensão do suporte em forma de cordão, desse modo, a redução da efi- ciência do contato entre as bactérias geradoras de hidrogênio, fixadas no suporte em forma de cordão, e a matéria orgânica é totalmente suprimida.

No método para produzir hidrogênio da presente invenção, é preferível que o meio de mistura, com o agitador que é capaz de girar em torno do eixo rotativo, que se estende na direção de extensão do suporte em forma de cordão, seja aplicado e a fermentação de hidrogênio é realizada sob agitação do líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio pelo meio de mistura. Com esse meio de mistura para agitar o líquido de trata- mento no fermentador de hidrogênio, a corrente do líquido de tratamento chega profundamente dentro das fibras do suporte em forma de cordão, que aperfeiçoa, ainda, tanto a retenção de matéria orgânica no suporte de fixa- ção e a separação de substâncias aderidas e gás de hidrogênio do suporte de fixação, desse modo, obtendo um nível extremamente alto de eficiência do tratamento.

No método para produzir hidrogênio da presente invenção, é preferível que o meio de mistura seja aplicado, sendo que o meio de mistura tem a linha de circulação ligada ao fermentador de hidrogênio nas duas ex- tremidades do meio e cria uma corrente do líquido de tratamento no fermen- tador de hidrogênio retirando o líquido de tratamento no fermentador de hi- drogênio de uma extremidade do mesmo e introduz o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio pela outra extremidade do mesmo, e a fermen- tação de hidrogênio é realizada sob mistura do líquido de tratamento no fer- mentador de hidrogênio pelo meio de mistura. Com essa linha de circulação para circular o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio, é obtido um nível extremamente alto de eficiência do tratamento. Além disso, para um meio de mistura que tem a linha de circulação e não tem um agitador, não existe nenhuma influência da força de cisalhamento causada pelo agita- dor. Portanto, mesmo se as bactérias geradoras de hidrogênio, que podem ser afetadas pela força de cisalhamento durante o período de crescimento das mesmas forem usadas, a produção de hidrogênio pelas bactérias gera- doras de hidrogênio é realizada favoravelmente. EFEITOS DA INVENÇÃO

Tal como descrito acima, o aparelho de fermentação de hidrogê- nio de acordo com a presente invenção trata de modo eficiente e estável o líquido de tratamento ao gerar hidrogênio de matéria orgânica através da fermentação de hidrogênio, mesmo se o líquido de tratamento contiver maté- ria sólida, e suprime totalmente a descarga das bactérias geradoras de hi- drogênio do fermentador de hidrogênio. Especificamente, se o líquido de tratamento contiver uma grande quantidade de matéria sólida, os efeitos a- cima da presente invenção são totalmente alcançados para gerar uma quan- tidade suficiente de hidrogênio e para reduzir suficientemente a quantidade de matéria sólida no líquido de tratamento.

Além disso, o método para produzir hidrogênio de acordo com a presente invenção retém de modo suficiente e estável as bactérias gerado- ras de hidrogênio e a matéria orgânica no líquido de tratamento, aplicando um suporte em forma de cordão como suporte para fixar as bactérias gera- doras de hidrogênio, desse modo, realizando eficientemente a solubilização da matéria sólida orgânica e a geração de hidrogênio pelas bactérias gera- doras de hidrogênio.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é um diagrama de bloco de uma primeira modalidade apropriada para um aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a presente invenção.

A figura 2 é uma vista em perspectiva de um exemplo de um su- porte em forma de cordão e do retentor usado na presente invenção.

A figura 3 é um diagrama de bloco de uma segunda modalidade apropriada para o aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a presente invenção.

A figura 4 é um gráfico que mostra a relação entre a quantidade de gás de fermentação gerado e o tempo de operação no teste de fermenta- ção de hidrogênio do Exemplo 1.

A figura 5 é um gráfico que mostra a relação entre a quantidade de hidrogênio gerada para a quantidade de matéria-prima líquida e o tempo de operação no teste de fermentação do Exemplo 1.

A figura 6 é um gráfico que mostra a relação entre a quantidade de hidrogênio gerada para a quantidade de matéria-prima líquida e o tempo de operação no teste de fermentação do Exemplo 2.

A figura 7 é um gráfico que mostra a relação entre a quantidade de hidrogênio gerada para a quantidade de gás de fermentação gerada e o tempo de operação no teste de fermentação do Exemplo 2.

MELHOR MODO PARA EXECUTAR A INVENÇÃO

As modalidades preferidas da presente invenção estão descritas em detalhe a seguir, com referência aos desenhos. O mesmo elemento tem o mesmo símbolo de referência para todos os desenhos, e a descrição du- plicada é omitida. Por razões de conveniência, na referência aos desenhos, as relações de tamanhos dos desenhos não estão necessariamente em concordância com as dadas na descrição.

A figura 1 é um digrama de bloco da primeira modalidade, apro- priada para o aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a pre- sente invenção. Tal como mostrado na figura 1, o aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a primeira modalidade contém um tanque de matéria-prima 1 e um fermentador de hidrogênio 2. Tal como descrito abai- xo, o fermentador de hidrogênio 2 contém um suporte em forma de cordão 6, no qual as bactérias geradoras de hidrogênio são fixadas, de modo a serem imersas no líquido de tratamento 100.

O tanque de matéria-prima 1 liga uma linha de introdução L1, que introduz o líquido de tratamento 100 que contém matéria orgânica como matéria-prima líquida no tanque. O tanque de matéria-prima 1 tem um agita- dor, que é estruturado por um agitador 3 e um motor 4. Com o agitador, o líquido de tratamento 100 retido no tanque de matéria-prima é agitado antes de ser carregado do tanque de matéria-prima 1 para o fermentador de hidro- gênio 2, desse modo dispersando uniformemente a matéria sólida no líquido.

O líquido de tratamento 100 não está limitado especificamente se contiver apenas matéria orgânica, que pode ser tratada por fermentação de hidrogênio pelas bactérias geradoras de hidrogênio. Exemplos do líquido de tratamento 100 são resíduos de alimentos e líquidos de desperdícios or- gânicos, tais como águas de despejo descarregadas de residências, restau- rantes, fábricas de alimentos e similares. A primeira modalidade é útil no tra- tamento de biomassa, tal como desperdícios orgânicos e águas residuais orgânicas entre esses líquidos residuais, visando obter gás de energia de recursos orgânicos reprodutíveis, e, particularmente, é aplicada, de prefe- rência, ao tratamento de efluentes de cervejaria, desperdícios de produção de pão, desperdícios de produção de açúcar (desperdícios de cana de açú- car) desperdícios da produção de amido (desperdícios de mandioca) e simi- lares.

O tanque de matéria-prima 1 está ligado ao fermentador de hi- drogênio 2 por meio de uma linha de transferência L2. A linha de transferên- cia está equipada com uma bomba de transferência 5, que fornece o líquido de tratamento 100 do tanque de matéria-prima 1 ao fermentador de hidrogê- nio 2. Em vez da bomba de transferência 5, a diferença de nível de água entre o tanque de matéria-prima 1 e o fermentador de hidrogênio 2 pode ser utilizada para carregar o líquido de tratamento 100 do tanque de matéria- prima 1 para o fermentador de hidrogênio 2.

No fermentador de hidrogênio 2, as bactérias geradoras de hi- drogênio estão fixadas em uma pluralidade de unidades de suporte em for- ma de cordão 6, que estão fixadas no retentor 7 nas duas extremidades das mesmas, desse modo, dispondo os suportes em forma de cordão estendidos na direção da profundidade do líquido de tratamento 100.

Embora o suporte em forma de cordão 6 não seja especifica- mente limitado, desde que possa fixar as bactérias geradoras de hidrogênio no mesmo, é preferível um que tenha flexibilidade. Tal como mostrado na figura 2, é especificamente preferível um que tenha uma estrutura trançada, que forma uma pluralidade de pequenos laços de fibras no padrão rendado. Esse tipo de suporte em forma de cordão 6, com a estrutura trançada, pode ser formado por um corpo de cordão de núcleo, estruturado por um material fibroso feito de uma resina sintética e por uma pluralidade de materiais fibro- sos em laços ou corpo de cordão, que se estende radialmente do corpo de cordão de núcleo. Com o uso desse suporte em forma de cordão 6, com a estrutura trançada, as bactérias geradoras de hidrogênio podem ser fixadas no suporte em forma de cordão 6 em uma grande quantidade e, além disso, é aperfeiçoada a retenção de matéria orgânica no suporte em forma de cor- dão 6 e a separação de substâncias aderidas em excesso e gás de hidrogê- nio do suporte em forma de cordão 6. Quando o suporte em forma de cordão 6 tem a estrutura trançada, o suporte em forma de cordão 6 tem, de prefe- rência, uma rigidez em um grau tal que não induza o colapso das fibras em padrão rendado, fazendo com que percam os espaços livres no mesmo. Fi- bras preferidas para formar o suporte em forma de cordão 6 são resinas com durabilidade e, são especificamente preferidas as fibras de polipropileno, poliamida (náilon), álcool polivinílico (vinilon), cloreto de polivinilideno e uma combinação de duas ou mais das mesmas.

A área de superfície específica do suporte em forma de cordão 6 por comprimento unitário é, de preferência, no âmbito de 0,3 a 4,0 m2/m, e, de modo particularmente preferido, de 1,0 a 3,0 m2/m.

O comprimento do suporte em forma de cordão 6 pode ser esco- lhido adequadamente, dependendo do tamanho do fermentador de hidrogê- nio 2 e do volume do líquido de tratamento 100. Mas, é preferível que tenha um comprimento que permite ao total dos suportes em forma de cordão 6 imergir, em estado estendido, no líquido de tratamento 100, em vista da efi- ciência do tratamento. Por exemplo, tal como mostrado na figura 1, quando o suporte em forma de cordão 6 está posicionado de modo a estender-se na direção da profundidade do líquido de tratamento 100, o comprimento do suporte em forma de cordão 6 é, de preferência, mais curto do que a profun- didade do líquido de tratamento 100.

O número de suportes em forma de cordão 6 não está especifi- camente limitado, e pode ser escolhido adequadamente, dependendo do tamanho do fermentador de hidrogênio 2 e da espessura do suporte em for- ma de cordão 6. Quando o fermentador de hidrogênio 2 está dotado de uma pluralidade de unidades de suportes em forma de cordão 6, é preferível que as unidades do suporte em forma de cordão 6 sejam dispostas a uma dis- tância uma da outra, de modo que seja possibilitado ao líquido de tratamento 100 passar entre os suportes em forma de cordão 6 na direção da extensão.

Quando a capacidade interna do fermentador de hidrogênio 2 é pequena, em comparação com o tamanho do suporte em forma de cordão 6, os supor- tes em forma de cordão podem ser posicionados em uma forma espiralada ao longo da periferia interna do fermentador de hidrogênio, em vez de fixar o suporte em forma de cordão 6 no retentor 7, em um estado estendido. A dis- posição espiralada do suporte em forma de cordão 6 é preferida, outros su- portes em forma de cordão 6 longos podem ser mantidos no fermentador de hidrogênio 2.

Tal como mostrado na figura 2, o retentor 7 está estruturado por duas extremidades 8a e 8b, que estão posicionadas para estar voltadas uma para a outra e com uma estrutura de rede, e uma armação 9, que mantém as extremidades 8a e 8b a uma distância especificada uma da outra. Cada suporte em forma de cordão 6 é fixado às extremidades 8a e 8b nas respec- tivas extremidades das mesmas, estando, portanto, mantidas em um estado estendido das mesmas. Pela retenção do suporte em forma de cordão 6 pelo retentor 7, em um estado estendido do mesmo, é possível realizar de modo eficiente e seguro o contato entre a matéria orgânica no líquido de tratamen- to 100 e as bactérias geradoras de hidrogênio, fixadas no suporte em forma de cordão 6, separar matéria sólida desnecessária, bactérias geradoras de hidrogênio mortas e similar, aderidas na superfície do suporte em forma de cordão 6, e, ainda, separar gás de hidrogênio gerado na profundidade das fibras do suporte em forma de cordão 6, sob qualquer direção da corrente do líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2. Por exemplo, quando uma corrente do líquido de tratamento ocorre ao longo da direção da extensão do suporte em forma de cordão 6, os efeitos acima são obtidos, porque o líquido de tratamento 100 passa através da abertura das malhas da extremidade 8a ou 8b do retentor 7.

As bactérias geradoras de hidrogênio, fixadas no suporte em forma de cordão 6, não estão especificamente limitadas, desde que tenham uma capacidade de gerar hidrogênio. Bactérias geradoras de hidrogênio a- plicáveis incluem: micro-organismos anaeróbicos, tais como Clostridia, Ther- moanaerobaceriales, Methylotrophs, Methanogens, RumenBacteria e Areha- ebacteria; micro-organismos anaeróbicos opcionais, tais como Escherichia coli e Enterobacter, micro-organismos aeróbicos, tais como Alcaligenes e Bacillus; bactérias de fotossíntese; e Cyanobaeteria. As bactérias geradoras de hidrogênio podem ser preparadas de micro-organismos isolados ou de comunidades de micro-organismos mistas (microflora), apropriadas para produção de hidrogênio. Quando a fermentação de hidrogênio é realizada usando essas bactérias geradoras de hidrogênio, é gerado gás de fermenta- ção (biogás), que consiste, principalmente, em hidrogênio (H2) e dióxido de carbono (CO2), e ácidos orgânicos, tais como ácido acético, ácido butírico e ácido láctico. Por exemplo, pela ação das bactérias geradoras de hidrogênio, a glicose é decomposta em ácido acético (CH3COOH), hidrogênio e dióxido de carbono, de acordo com a fórmula (1).

C6H1206+2H20->2CH3C00H+2C02+4H2 (1)

As bactérias geradoras de hidrogênio são, de preferência, fixa- das no suporte em forma de cordão 6, antes da introdução do líquido de tra- tamento 100 no fermentador de hidrogênio 2. Mas, as bactérias geradoras de hidrogênio podem ser introduzidas no fermentador de hidrogênio 2 junto com uma quantidade especificada do líquido de tratamento 100, e depois fixadas no suporte em forma de cordão 6. Se as bactérias geradoras de hi- drogênio forem introduzidas no fermentador de hidrogênio 2 junto com o lí- quido de tratamento 100, é preferível que a fermentação contínua comece depois de uma operação de ensaio do aparelho, para obter um estado está- vel da fermentação de hidrogênio.

Com referência, novamente, à figura 1, o fermentador de hidro- gênio 2 tem um agitador, constituído de um agitador 10, que está posiciona- do de tal modo que o eixo rotativo fique aproximadamente paralelo à direção da extensão do suporte em forma de cordão 6, e de um motor 11, para acio- nar o agitador 10. Com esse agitador para agitar o líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2, a corrente de líquido de tratamento 100 chega profundamente dentro das fibras do suporte em forma de cordão 6, o que aperfeiçoa adicionalmente, tanto a retenção de matéria orgânica no su- porte de fixação como a separação de substâncias aderidas e gás de hidro- gênio do suporte em forma de cordão 6, desse modo, obtendo um nível ex- tremamente alto de eficiência do tratamento.

O fermentador de hidrogênio 2 tem uma linha de circulação L3, que tem uma bomba 12, um termômetro 13 e um medidor de pH 14. Além disso, a linha de circulação L3 está ligada a um alimentador de álcali 15, no lado a jusante do medidor de pH 14, por meio de uma linha L4 com uma bomba 16. O alimentador de álcali 15 adiciona a solução aquosa alcalina (solução aquosa de NaOH, por exemplo), ao líquido de tratamento 100, no caso de diminuição do pH do líquido de tratamento 100 causada pela gera- ção de ácido durante o curso da fermentação de hidrogênio. O fermentador de hidrogênio 2 tem uma camisa de tanque 17 na superfície periférica exter- na do mesmo. A camisa de tanque 17 está conectada a uma linha de circu- lação L5, que circula e fornece o meio de aquecimento (água quente, por exemplo), controlado para uma temperatura especificada por um controlador de temperatura 18, à invólucro do tanque 17 por uma bomba 19. O termôme- tro 13, o controlador de temperatura 18, o medidor de pH 14 e o alimentador de álcali 15 estão ligados um ao outro para controlar a tempertura e o pH do líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2, com base na temperatura e no pH do líquido de tratamento 100 que é retirado pela bomba 12 para dentro da linha de circulação L3. Uma condição de tratamento prefe- rida da fermentação de hidrogênio usando comunidades de micro-orga- nismos anaeróbicos é de cerca de 5,0 a cerca de 7,5 de pH e cerca de 20°C a cerca de 70°C de tempertura.

O aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a pri- meira modalidade tem, tal como mostrado na figura 1, a abertura de retirada (abertura de descarga) para a linha de circulação L3 do fermentador de hi- drogênio 2, posicionada acima da abertura de reciclagem (abertura de intro- dução) ao fermentador de hidrogênio 2. Com essa configuração, ocorre a corrente para cima (convecção adicional) do líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2, que suprime a sedimentação de matéria sólida no líquido de tratamento 100 no fundo do fermentador de hidrogênio 2. Co- mo resultado, é obtido um aperfeiçoamento adicional na retenção de matéria orgânica no líquido de tratamento 100 sobre o suporte em forma de cordão 6 e na separação de substâncias aderidas (matéria sólida desnecessária, bac- térias geradoras de hidrogênio mortas e similares) e gás de hidrogênio do suporte em forma de cordão 6.

O uso do suprote em forma de cordão 6 como suporte de fixação das bactérias geradoras de hidrogênio permite uma retenção suficiente e estável da matéria orgânica no líquido de tratamento 100 no suporte, e reali- za a execução eficiente da fermentação de hidrogênio por bactérias gerado- ras de hidrogênio. Como o suporte em forma de cordão 6 é flexível, é obtida a separação eficiente e segura de matéria sólida desnecessária, bactérias geradoras de hidrogênio mortas e similares, aderidas na superfície do supor- te em forma de cordão 6, e a separação de gás de hidrogênio gerado pro- fundamente dentro das fibras do suporte em forma de cordão 6, devido à introdução ou descarga do líquido de tratamento 100 no e do fermentador de hidrogênio 2, à agitação pelo agitador, e à corrente do líquido de tratamento 100, induzida pela circulação através da linha de circulação L3, e similar.

Além disso, como as bactérias geradoras de hidrogênio estão fixadas no suporte em forma de cordão 6, não há necessidade de um meio de separa- ção para separar o suporte do líquido de tratamento 10, tal como é necessá- rio no método de leito fluidizado convencional, e, ainda, a descarga das bac- térias geradoras de hidrogênio do fermentador de hidrogênio 2 é totalmente suprimida. Consequentemente, mesmo se o líquido de tratamento 100 conti- ver matéria sólida, está disponível um aparelho de fermentação de hidrogê- nio que realiza a fermentação de hidrogênio de modo eficiente e estável, e que suprime totalmente a descarga das bactérias geradoras de hidrogênio do fermentador de hidrogênio 2.

Quando o liquido de tratamento 100 contém uma grande quanti- dade de matéria sólida, os efeitos acima são maximizados, e um grande vo- lume de hidrogênio pode ser gerado enquanto ihá uma diminuição na quan- tidade de matéria sólida no líquido de tratamento 100. O gás de hidrogênio gerado pela fermentação de hidrogênio é coletado através de uma linha coletora de gás L6, localizada na parte supe- rior do fermentador de hidrogênio 2. Por outro lado, o líquido de tratamento 100, depois do fermentação de hidrogênio (o líquido fermentado), é descar- regado do fermentador por meio de uma linha de descarga L7. Embora a posição de ligação da linha de descarga L7 com o fermentador de hidrogênio 2 não seja especificamente limitada, acima de extremidade superior do su- porte em forma de cordão 6, ela pode suprimir a inclusão de matéria sólida no líquido fermentado. O método de descarga do líquido fermentado não está especificamente limitado, e qualquer tipo de transbordamento e descar- ga forçada por bomba pode ser aplicado.

Embora o suporte em forma de cordão 6 mantenha o funciona- mento por um longo período de tempo, se for observada a deterioração do funcionamento do suporte em forma de cordão 6, o suporte em forma de cordão 6 pode ser substituído removendo uma tampa superior do fermenta- dor de hidrogênio 2, depois, tirando o suporte em forma de cordão 6 do fer- mentador de hidrogênio 2.

A figura 3 é um diagrama de bloco da segunda modalidade, a- propriada para o aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a presente invenção. De modo similar à primeira modalidade, o aparelho de fermentação de hidrogênio da segunda modalidade está estruturado para conter o tanque de matéria-prima 1 e o fermentador de hidrogênio 2. O fer- mentador de hidrogênio 2 contém o suporte em forma de cordão 6, no qual estão fixadas as bactérias geradoras de hidrogênio, de modo a serem imer- sas no líquido de tratamento 100. Uma linha de circulação L8 está prevista como meio de mistura, que está descrito abaixo.

A linha de circulação L8 está ligada ao fundo do fermentador de hidrogênio 2 em uma extremidade do mesmo, e ao lado do fermentador de hidrogênio, na outra extremidade do mesmo. A parte de conexão do fundo do fermentador de hidrogênio 2 com a linha de circulação L8 é a abertura de retirada do líquido de tratamento 100, e a parte de conexão do lado do fer- mentador de hidrogênio 2 com a linha de circulação L8 é a abertura de reci- clagem do líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2. Isto é, o líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2 é retirado da abertura de retirada para a linha de circulação L8, e o líquido de tratamento 100 é introduzido no fermentador de hidrogênio 2 da abertura de reciclagem, desse modo criando a corrente de líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2, para misturar o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio 2.

A parte de conexão da linha de circulação L8 com o fermentador de hidrogênio 2 precisa apenas circular o líquido de tratamento 100 no fer- mentador de hidrogênio 2 pela linha de circulação L8 e fazer com que a cor- rente de líquido de tratamento 100 chegue profundamente dentro das fibras do suporte em forma de cordão 6, sem usar o agitador 10.

Um posicionamento preferido da abertura de retirada e da aber- tura de reciclagem é, por exemplo, a ligação do fermentador de hidrogênio 2 com a linha de circulação L8, de modo que a abertura de retirada fique aci- ma da parte superior do retentor 7, e de modo que a abertura de reciclagem fique abaixo do fundo do retentor 7. Com essa configuração, é criada a cor- rente do líquido de tratamento 100 ao longo da direção de extensão do su- porte em forma de cordão 6 no fermentador de hidrogênio 2, de modo que a eficiência do contato entre os suportes em forma de cordão 6 e o líquido de tratamento 100 seja aperfeiçoada.

Além disso, quando a abertura de retirada está posicionada a- baixo do fundo do retentor 7 e quando a abertura de reciclagem está posi- cionada acima da parte superior do retentor, são obtidas as seguintes vanta- gens. Essa configuração é apropriada, por exemplo, para o caso do líquido de tratamento 100 conter uma grande quantidade de matéria sólida. Isso é, mesmo se a matéria sólida no líquido de tratamento 100 sedimentar-se no fundo do fermentador de hidrogênio 2, a matéria sólida sedimentada é reti- rada com o líquido de tratamento 100 da abertura de retirada para dentro da linha de circulação L8, e depois é retornada para o fermentador de hidrogê- nio 2 da abertura de reciclagem, prevista acima da parte superior do retentor 7, desse modo, a quantidade eficaz da matéria sólida, capaz de entrar em contato com o suporte em forma de cordão 6, é mantida em um nível alto. Se a abertura de retirada estiver posicionada acima da parte superior do re- tentor 7, e se a abertura de reciclagem estiver posicionada abaixo do fundo do retentor 7, é necessário elevar a matéria sólida sedimentada, usando o líquido de tratamento 100 que vem da abertura de reciclagem, para fazer com que a matéria sólida sedimentada fique suspensa no líquido de trata- mento 100, que precisa aumentar a velocidade da corrente de circulação. Pelo contrário, se a abertura de retirada estiver posicionada abaixo do fundo do retentor 7, e se a abertura de reciclagem estiver posicionada acima da parte superior do retentor 7, um efeito similar é obtido com uma velocidade de corrente de circulação relativamente baixa.

Para o caso da segunda modalidade, na qual não é aplicado um agitador e apenas a linha de circulação L8 é adotada para realizar a mistura do líquido de tratamento 100, a convecção é gerada no fermentador de hi- drogênio 2 ao longo da linha entre a abertura de retirada e a abertura de re- ciclagem da linha de circulação L8. Consequentemente, é preferível posicio- nar o suporte em forma de cordão em uma posição quase horizontal, a fim de fazer com que a corrente de líquido de tratamento chegue profundamente dentro das fibras do suporte em forma de cordão.

A presente invenção não está limitada à primeira modalidade e à segunda modalidade. Por exemplo, mesmo se o meio de mistura para mistu- rar o líquido de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2 tiver apenas o agitador (agitador 10 e motor 11), mencionado na primeira modalidade, e não tiver as linhas de circulação L3 e L8, é satisfatório se o agitador 10 reali- zar a agitação para fazer com que a corrente de líquido de tratamento 100 chegue às fibras do suporte em forma de cordão 6. Nesse caso, o posicio- namento do suporte em forma de cordão 6 é, de preferência, similar ao da primeira modalidade.

A primeira modalidade e a segunda modalidade mostraram e- xemplos de fixar as duas extremidades do suporte em forma de cordão 6 no retentor 7. Se o suporte em forma de cordão 6 puder ser mantido em um estado estendido no líquido de tratamento 100 e se puder ser evitado o en- trelaçamento de suportes em forma de cordão 6 um com o outro, a fixação do suporte em forma de cordão 6 pode ser feita em apenas uma extremida- de do mesmo. Além disso, como meio para controlar a temperatura do líqui- do de tratamento 100 no fermentador de hidrogênio 2, podem ser usados uma bobina, um trocador de calor e similar, em vez dá camisa do tanque 17, e, além disso, o controle de temperatura pode ser realizado misturando um meio de aquecimento, tal como água quente, com o líquido de tratamento 100.

EXEMPLOS

A presente invenção é descrita abaixo em mais detalhes nos exemplos e exemplos comparativos. Entretanto a presente invenção não é limitada de forma alguma aos seguintes exemplos.

EXEMPLO 1

Primeiramente, foram preparadas 100 unidades de suportes em forma de cordão (0,2 m de comprimento e 1,02 m2/m de área específica por comprimento unitário), com uma estrutura trançada, que forma uma plurali- dade de pequenos laços de fibras (náilon + polipropileno) no padrão renda- do. As duas extremidades do suporte em forma de cordão foram fixadas em um retentor, feito de aço inoxidável (SUS), com a estrutura mostrada na figu- ra 2. O suporte em forma de cordão, retido no retentor em um estado esten- dido, foi posicionado no fermentador de hidrogênio (900 I de capacidade) do aparelho de fermentação de hidrogênio mostrado na figura 1, de tal modo que a direção de extensão do suporte em forma de cordão fosse a direção vertical. No exemplo 1, as comunidades de micro-organismos geradores de hidrogênio, contendo espécies proximamente relacionadas de bactérias ge- radoras de hidrogênio, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, fo- ram propagadas previamente em um tanque de cultura de bactérias inocula- das, que depois foram aplicadas ao tratamento de fermentação de hidrogênio.

Depois, no tanque de matéria-prima do aparelho de fermentação de hidrogênio foram carregados água e desperdícios de pão, para preparar o líquido de matéria-prima. A concentração dos desperdícios de pão no líquido de matéria-prima foi ajustada para 33 kg dos desperdícios de pão por 1 m3 do líquido de matéria-prima. Uma alíquota de 490 I do líquido de matéria- prima e 10 I das comunidades de micro-organismos geradores de hidrogênio acima foram carregados no fermentador de hidrogênio do aparelho de fer- mentação de hidrogênio, que foram depois submetidos à propagação das bactérias geradoras de hidrogênio e fixação no suporte em forma de cordão, a 50°C, por 72 horas, sob agitação. Depois disso, o líquido de matéria-prima foi carregado continuamente no fermentador de hidrogênio a uma razão de 250 l/dia. A quantidade de líquido no fermentador era de 500 I, e o tempo de retenção do líquido fermentado foi de 48 horas. A temperatura do líquido fermentado foi controlada para 50°C e o pH foi controlado para 6. O agitador foi operado a 80 rpm. O líquido fermentado a um tempo de retenção especi- ficado no fermentador, sob agitação, foi descarregado continuamente do fermentador por meio da abertura de descarga, como líquido tratado.

A figura 4 mostra a relação entre a quantidade de gás de fer- mentação gerado e o tempo de operação no teste de fermentação de hidro- gênio acima. A quantidade de gás de fermentação gerado era estável em relação à quantidade de líquido de tratamento carregado, ao longo do teste. A concentração de hidrogênio no gás de fermentação era de cerca de 55% e a geração de dióxido de carbono como segundo componente foi confirmada.

A figura 5 mostra a relação entre a razão da quantidade de hi- drogênio gerada para a quantidade de líquido de matéria-prima carregado e o tempo de operação no teste de fermentação de hidrogênio acima. No tes- te, 3 a 4 I de hidrogênio foram gerados para 1 I de líquido de matéria-prima carregado, e a razão foi estável ao longo do teste.

Os resultados mediram o peso da matéria sólida (não menor do que o tamanho SS) no líquido de tratamento (líquido de matéria-prima), in- troduzido previamente no fermentador de hidrogênio 2 e no líquido de trata- mento (líquido de descarga de fermentação), descarregado do fermentador de hidrogênio 2, depois de um período de tempo especificado após o início do teste, são dados na Tabela 1. Tal como mostrado na Tabela 1, o teste diminuiu a quantidade de matéria sólida no líquido de tratamento em 74% como a razão de peso média.

Tabela 1

<table>table see original document page 25</column></row><table>

Exemplo 2

Foram preparadas 40 unidades de suportes em forma de cordão (0,5 m de comprimento e 1,02 m2I de área específica por comprimento unitá- rio), com uma estrutura trançada, que formou uma pluralidade de pequenos laços de fibras (náilon + polipropileno) no padrão rendado. Cada uma das 20 unidades foi fixada nas duas extremidades da mesma a cada um dos dois retentores feitos de aço inoxidável (SUS), com a estrutura mostrada na figu- ra 2. O suporte em forma de cordão, que, desse modo, foi retido no retentor em um estado estendido, foi colocado no fermentador de hidrogênio (220 I de capacidade) do aparelho de fermentação de hidrogênio mostrado na figu- ra 3, de tal modo que a direção de extensão do suporte em forma de cordão fosse a direção vertical. No exemplo 2, comunidades de micro-organismos geradores de hidrogênio, contendo espécies proximamente relacionadas de bactérias geradoras de hidrogênio, Thermoanaerobacterium thermosaccha- rolyticum, foram propagadas previamente em um tanque de cultura de bacté- rias inoculadas, que depois foram aplicadas ao tratamento de fermentação de hidrogênio.

Uma alíquota de 200 I das comunidades de micro-organismos geradores de hidrogênio acima foi carregada no aparelho de fermentação de hidrogênio, após o que foi carregado continuamente o líquido de matéria- prima no fermentador de hidrogênio, a uma razão de 100 l/dia. A quantidade de líquido no fermentador era de 200 I, e o tempo de retenção do líquido fermentado foi de 48 horas. O líquido de matéria-prima carregado era de desperdícios de pão, diluído com água. A concentração dos desperdícios de pão era de 25 kg/m3 por um período de 15 dias, até que o suporte em forma de cordão tivesse retido uma quantidade suficiente de comunidades de mi- cro-organismos, e, depois disso, era de 33 kg/m3. O líquido de fermentação foi ajustado para 60°C e pH 6. Usando a linha de circulação L8, a circulação (circulação descendente) foi estabelecida no fermentador de hidrogênio, a uma razão de corrente de 3000 l/h, e o líquido de fermentação, depois de um tempo de retenção especificado, foi descarregado continuamente do fermen- tador, por meio da abertura de descarga, como líquido tratado.

A figura 6 mostra a relação entre a razão da quantidade de gás de fermentação gerado e o tempo de operação no teste de fermentação de hidrogênio acima. A quantidade de gás de fermentação gerado era estável ao longo do teste, em relação à quantidade de líquido de tratamento carre- gado. A concentração de hidrogênio no gás de fermentação era de cerca de 55%, e a geração de dióxido de carbono como segundo componente foi con- firmada.

A figura 7 mostra a relação entre a razão da quantidade de hi- drogênio gerado para a quantidade de líquido de matéria-prima carregado e o tempo de operação no teste de fermentação de hidrogênio acima. No tes- te, 4,5 a 5,5 I de hidrogênio foram gerados para 1 I de líquido de matéria- prima carregado, e a razão foi estável ao longo do teste.

Exemplo 3

Uma única unidade de suporte em forma de cordão (0,25 m de comprimento), semelhante à do Exemplo 1, foi colocada em um aparelho de cultura de micro-organismos de 1 I (BMJ-01PI 1L, produzido por ABLE Ltd.), em uma forma espiralada ao longo da superfície periférica interna do apare- lho. O aparelho foi usado como fermentador de hidrogênio para realizar o seguinte teste de fermentação de hidrogênio.

O espaço interno do aparelho de cultura de micro-organismos, que continha o suporte em forma de cordão, foi substituído por gás de nitro- gênio. Depois, 300 ml de comunidades de micro-organismos geradores de hidrogênio, contendo espécies proximamente relacionadas de bactérias ge- radoras de hidrogênio, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum,e 200 ml de efluente de cervejaria foram carregados no aparelho de cultura de micro-organismos, para realizar a fermentação de hidrogênio, sob a condi- ção de 50°C, 6,0 a 6,5 de pH, e 125 rpm de agitação. O efluente de cerveja- ria foi preparado peneirando (200 malhas) o efluente de cervejaria na Cerve- jaria Shizuoka de SAPPORO BREWERIES LTD. Depois do peneiramento, as propriedades do efluente de cervejaria foram pH 4, 15000 a 60000 ml de COD, 5000 a 16000 mg/l de açúcar total (como glicose), 3000 a 4000 mg/l de maltose, 2500 a 9000 mg/l de ácido láctico, e 100 a 300 mg/l de ácido acético.

Depois de confirmar o estado estável da fermentação de hidro- gênio, foram carregados continuamente 250 ml de meio de cultura (efluente de cervejaria), enquanto era descarregada a mesma quantidade de solução de cultura, para realizar a cultura contínua. Durante o teste, a quantidade de hidrogênio gerada foi, no máximo, de 611 ml por dia, e a quantidade de hi- drogênio gerada para a quantidade de meio (efluente de cervejaria) carrega- da foi, no máximo, de 2,4 ml-H2/ml.

Exemplo Comparativo 1

O espaço interno de um aparelho de cultura de micro- organismos de 2 I (MBF, produzido por TOKYO RIKAKIKAI CO., LTD.) foi substituído por gás de nitrogênio. Depois, 50 ml de comunidades de micro- organismos geradores de hidrogênio, contendo espécies proximamente rela- cionadas de bactérias geradoras de hidrogênio, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, e 700 ml de efluente de cervejaria, similar ao do E- xemplo 3, foram carregados no aparelho de cultura de micro-organismos, para realizar a fermentação de hidrogênio, sob a condição de 50°C, 6,0 a 6,5 de pH, e 125 rpm de agitação.

Após confirmar o estado estável da fermentação de hidrogênio, foram carregados continuamente 2000 ml de meio de cultura (efluente de cervejaria), enquanto era descarregada a mesma quantidade de solução de cultura, para realizar a cultura contínua. Durante o teste, a quantidade de hidrogênio gerada foi, no máximo, de 2500 ml por dia, e a quantidade de hidrogênio gerada para a quantidade de meio (efluente de cervejaria) carre- gada foi, no máximo, de 1,25 ml-H2/ml.

Exemplo Comparativo 2

O espaço interno de um aparelho de cultura de micro- organismos de 2 I (MBF, produzido por TOKYO RIKAKIKAI CO., LTD.) foi substituído por gás de nitrogênio. Depois, 600 ml (volume de carga) de supor- te de partículas calcinado de diatomite, esterilizado (produzido por SHOWA CHEMICAL INDUSTRY CO., LTD.), 100 ml comunidades de micro-orga- nismos geradores de hidrogênio, contendo espécies proximamente relaciona- das de bactérias geradoras de hidrogênio, Thermoanaerobacterium thermo- saccharolyticum, e 900 ml de efluente de cervejaria, similar ao do Exemplo 3, foram carregados no aparelho de cultura de micro-organismos, para realizar a fermentação de hidrogênio, sob a condição de 50°C, 6,0 a 6,5 de pH, e 125 rpm de agitação.

Após confirmar o estado estável da fermentação de hidrogênio, a quantidade de solução de cultura foi reduzida em 500 ml, e foram carrega- dos continuamente 500 ml de meio de cultura (efluente de cervejaria), en- quanto era descarregada a mesma quantidade de solução de cultura, para realizar a cultura contínua. Durante o teste, a quantidade de hidrogênio ge- rada foi, no máximo, de 300 ml por dia, e a quantidade de hidrogênio gerada para a quantidade de meio (efluente de cervejaria) carregada foi, no máximo, de 0,6 ml-H2/ml. Depois do teste, foram encontrados sedimentos de grandes quantidades de micro-organismos e matéria sólida no meio, no fundo e na área periférica, o que sugeriu que a geração de gás estava a um nível baixo, devido a uma convecção não-ativa dos componentes do meio.

Exemplo Comparativo 3

O espaço interno de um aparelho de cultura de micro-orga- nismos de 5 I (BMS-PI 5L, produzido por ABLE Ltd.) foi substituído por gás de nitrogênio. Depois, 500 ml (volume de carga) de suporte de contas de quitosano esterilizado (Chitopearl, produzido por Fujibo Holdings, Inc.), 100 ml de comunidades bacterianas termofílicas, geradoras de hidrogênio, acli- matizadas, e 1900 ml de efluente de cervejaria, similar ao do Exemplo 3, foram carregados no aparelho de cultura de micro-organismos, para realizar a fermentação de hidrogênio, sob a condição de 50°C, 6,0 a 6,5 de pH, e 200 rpm de agitação.

Após confirmar o estado estável da fermentação de hidrogênio, foram carregados continuamente 500 ml de meio de cultura (efluente de cer- vejaria), enquanto era descarregada a mesma quantidade de solução de cultura, para realizar a cultura contínua. Durante o teste, a quantidade de hidrogênio gerada foi, no máximo, de 100 ml por dia, e a quantidade de hi- drogênio gerada para a quantidade de meio (efluente de cervejaria) carrega- da foi, no máximo, de 0,2 ml-H2/ml. Durante o teste, foi observado um fenô- meno que, no decorrer da retenção de micro-organismos no suporte de con- tas de quitosano e do aumento da geração de gás de hidrogênio, a maioria das partículas do suporte flutuaram para a superfície do líquido, o que suge- riu que a geração de gás ficou a um nível baixo, devido a muito poucos con- tatos com os componentes do meio.

Para comparar o desempenho do aparelho de fermentação de hidrogênio entre o Exemplo 3 e os Exemplos Comparativos 1 a 3, a Tabela 2 apresenta a razão de diluição, a razão da quantidade de hidrogênio gerada para a quantidade de líquido de matéria-prima carregado, e a razão da quan- tidade de hidrogênio gerada para o volume de reação total para os testes acima. O termo "razão de diluição", citado no presente, significa o tempo de retenção médio inverso de líquido de matéria-prima para a quantidade de líquido no fermentador, que é expresso pela fórmula (A):

<formula>formula see original document page 29</formula>

onde D é a razão de diluição (dimensão de T1 (T é tempo), F é a razão de corrente carregada e V é a quantidade de líquido. O termo "volume de rea- ção total", citado no presente, significa a soma da quantidade de líquido no fermentador e o volume do suporte de fixação. Tabela 2

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Exemplo 4

Para entender a influência do suporte em forma de cordão na fermentação de hidrogênio, foram preparados suportes em forma de cordão (0,2 m de comprimento), com três tipos de estrutura trançada, cada qual com um material diferente ou área de superfície específica diferente. Duas unida- des do suporte em forma de cordão foram colocadas, em cada caso, em um fermentador de hidrogênio de 30 I do aparelho de fermentação de hidrogênio (HMF-30F01-tanque de cultura de 30 L, produzido por Hitachi Ltd.), de modo que a direção de extensão do suporte em forma de cordão fosse a direção vertical. Os peso dos corpos celulares aderidos em cada suporte em forma de cordão foi determinado durante a fermentação contínua.

Primeiramente, foram carregados água e desperdícios de pão no tanque de matéria-prima do aparelho de fermentação de hidrogênio acima, para preparar o líquido de matéria-prima. A concentração dos desperdícios de pão no líquido de matéria-prima foi ajustada para 33 g de desperdícios de pão por 1 I de líquido de matéria-prima. Uma alíquota de 14,5 I de líquido de matéria-prima preparada desse modo e 0,5 I de comunidades de micro- organismos geradores de hidrogênio, contendo espécies proximamente rela- cionadas de bactérias geradoras de hidrogênio, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, que foram propagadas previamente em um fermen- tador de 1 I, foram carregados em um fermentador de hidrogênio de 30 I,desse modo, realizando a propagação de bactérias geradoras de hidrogê- nio e a operação de fixação das mesmas no suporte em forma de cordão, a 50°C por 72 horas, sob agitação. Depois disso, o líquido de matéria-prima foi carregado continuamente no fermentador de hidrogênio, a uma razão de 7,5 l/dia. A quantidade de líquido no fermentador era de 15,0 I, e o tempo de re- tenção do líquido de fermentação foi de 48 horas. O líquido de fermentação foi ajustado para 50°C e pH 6. O agitador foi ajustado para 100 rmp. Depois de um tempo de retenção especificado no fermentador, sob agitação, o lí- quido de fermentação foi descarregado continuamente do fermentador por meio da abertura de descarga como líquido tratado.

Após fermentação contínua por 9 meses, cada suporte em forma de cordão foi tirado do fermentador de hidrogênio e o peso de corpos celula- res aderidos em cada suporte em forma de cordão foi determinado. O peso de corpos celulares na Tabela 3 significa o peso de corpos celulares aderi- dos em cada suporte em forma de cordão por comprimento unitário.

Tabela 3

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Exemplo 5

Em um aparelho de cultura de micro-organismos de 5 I (BMS- 05PI 5L, produzido por ABLE Ltd.) foram colocadas 6 unidades de suporte em forma de cordão (0,15 m de comprimento), similares às do Exemplo 1, de modo que a direção de extensão do suporte em forma de cordão fosse a direção vertical. O aparelho foi usado como fermentador de hidrogênio, para realizar o seguinte teste de fermentação de hidrogênio.

Primeiramente, 500 g (peso úmido) de desperdícios de mandio- ca (resíduos da produção de amido de mandioca) e 40 g de extrato de Ieve- do foram diluídos com água para 5 I. A mistura foi esterilizada a 1210C por 20 minutos, para obter um líquido de matéria-prima. Depois, 0,5 I de comu- nidades de micro-organismos geradores de hidrogênio, contendo espécies proximamente relacionadas de bactérias geradoras de hidrogênio, Thermoa- naerobacterium thermosaccharolyticum, e uma alíquota de 2 I do líquido de matéria-prima foram carregados no fermentador de hidrogênio acima, para realizar a fermentação de hidrogênio, sob a condição de 55°C, pH de 5,5 a 6,0, e agitação de 150 rmp.

Após confirmar o estado estável da fermentação de hidrogênio, foram carregados continuamente cerca de 0,3 a cerca de 0,9 I de líquido de matéria-prima, enquanto era descarregada a mesma quantidade de solução de cultura, para realizar a cultura contínua. Durante o teste, a quantidade de hidrogênio gerada foi, no máximo, de 1,5 ml por dia, e a quantidade de hi- drogênio gerada para a quantidade de desperdícios de mandioca carregada foi, no máximo, de 20 l-H2/kg.

Exemplo 6

Primeiramente, o espaço interno de um aparelho de cultura de micro-organismos contendo o suporte em forma de cordão foi substituído por gás de nitrogênio. Depois, 2,5 I de comunidades de micro-organismos gera- dores de hidrogênio, contendo espécies proximamente relacionadas de bac- térias geradoras de hidrogênio, Thermoanaerobacterium thermosaccharolyti- cum, foram carregados e, depois, foi carregado continuamente um líquido de desperdícios de pão diluído, enquanto era descarregada a quantidade igual de solução de cultura, para realizar a cultura contínua. A condição de cultura era de 55°C, pH de 5,5 a 6,0, 150 rpm de agitação, 33 g/l de concentração de líquido de desperdícios de pão diluídos e uma razão de carga de 0,5 I do mesmo por dia. Sob a condição acima, depois de confirmado o estado está- vel da fermentação de hidrogênio, os desperdícios de mandioca, tratados enzimaticamente, foram adotados como matéria-prima para realizar a fer- mentação de hidrogênio.

O procedimento do tratamento enzimático de desperdícios de mandioca é o seguinte. 100 g (peso úmido) de desperdícios de mandioca foram homogeneizados, depois, diluídos em água de troca de íons para 700 g. A mistura foi ajustada pra pH 4,0 usando soda cáustica. À mistura foi adi- cionado 0,1 g de SUMIZYME PMAC (produzido por Shin Nihom Chemical Co., Ltd.), desse modo realizando o tratamento enzimático a 60°C por 24 horas, sob agitação. Separadamente, 6 g de extrato de Ievedo foram dissol- vidos em 50 ml de água, depois, esterilizados a 1210C por 20 minutos. O extrato de Ievedo esterilizado, preparado desse modo, foi adicionado à mis- tura tratada enzimaticamente acima, para obter o líquido de matéria-prima.

A cada 24 horas, 0,7 I de líquido de matéria-prima foi carregado a cada vez, enquanto o líquido era descarregado continuamente, a uma ra- zão de 0,7 I por dia, para realizar a fermentação contínua. A condição de fermentação era de 55°C, pH de 5,5 a 6,0, e 150 rpm de agitação (250 rpm, apenas por 10 minutos, imediatamente depois de carregar o líquido de maté- ria-prima). Durante o teste, a quantidade de hidrogênio gerada foi, no máxi- mo, de 3,8 I por dia, e a quantidade de hidrogênio gerada para a quantidade de desperdícios de mandioca carregada era, no máximo, de 37 l-H2/kg. Aplicabilidade Industrial

Na geração de hidrogênio de matéria orgânica, através da fer- mentação de hidrogênio, o aparelho de fermentação de hidrogênio de acor- do com a presente invenção trata de modo eficiente e estável o líquido de tratamento, mesmo se o mesmo contiver matéria sólida, e suprime totalmen- te a descarga de bactérias geradoras de hidrogênio do fermentador de hi- drogênio. Particularmente, quando o líquido de tratamento contém uma grande quantidade de matéria sólida, os efeitos da presente invenção descri- tos acima são maximizados para gerar quantidades suficientes de hidrogê- nio, enquanto é reduzida totalmente a quantidade de matéria sólida no líqui- do de tratamento. LISTAGEM DE REFERÊNCIA

1: Tanque de matéria-prima

2: Fermentador de hidrogênio

3, 10: Agitador

4, 11: Motor

5, 12, 16, 19: Bomba

6: Suporte em forma de cordão

7: Retentor

8a, 8b: Extremidade

9: Armação

13: Termômetro

14: Medidor de pH

15: Alimentador de álcali

17: Camisa do tanque

18: Controlador de temperatura

100: Líquido de tratamento

L3, L8: Linha de circulação

Claims

1. Aparelho de fermentação de hidrogênio para gerar hidrogênio por decomposição de matéria orgânica através da fermentação de hidrogê- nio, caracterizado pelo fato de que compreende: um fermentador de hidrogênio (2) que aloja um líquido de trata- mento que contém matéria orgânica; e um suporte em forma de cordão (6), sobre o qual são fixadas bactérias geradoras de hidrogênio, localizado no fermentador de hidrogênio (2) de modo a entrar em contato com o líquido de tratamento.

2. Aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a rei- vindicação 1, caracterizado pelo fato de que o suporte em forma de cordão (6) tem uma éstrutura trançada na qual as fibras formam um padrão rendado.

3. Aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a rei- vindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um retentor (7) que retém o suporte em forma de cordão (6) em um estado esticado por fixação das duas extremidades do suporte em forma de cordão.

4. Aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a rei- vindicação 3, caracterizado pelo fato de que o retentor (7) compreende duas extremidades (8a, 8b) que estão posicionadas para estar voltadas uma para a outra e têm uma estrutura de rede, e uma armação (9) que retém as duas extremidades (8a, 8b) a uma distância especificada uma da outra, enquanto o suporte em forma de cordão (6) é fixado nas duas extremidades do mesmo nas respectivas duas extremidades (8a, 8b) do retentor.

5. Aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a rei- vindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um meio de mistura que mistura o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio (2), em que o meio de mistura tem um agitador (3, 10) que é capaz de girar em torno de um eixo rotativo, que se estende na direção da extensão do su- porte em forma de cordão (6).

6. Aparelho de fermentação de hidrogênio de acordo com a rei- vindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um meio de mistura que mistura o líquido de tratamento (100) no fermentador de hidro- gênio, o meio de mistura tendo uma linha de circulação (L3, L8) conectada ao fermentador de hidrogênio (2) nas duas extremidades do mesmo e crian- do uma corrente do líquido de tratamento dentro do fermentador de hidrogê- nio (2) pela retirada do líquido de tratamento (100) no fermentador de hidro- gênio (2) de uma extremidade do mesmo, e introduzindo o líquido de trata- mento (100) no fermentador de hidrogênio (2) pela outra extremidade do mesmo.

7. Método para produzir hidrogênio por decomposição de maté- ria orgânica através de fermentação de hidrogênio, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de colocar o líquido de tratamento (100) que contém matéria orgânica em contato, dentro do fermentador de hidrogênio (2), com o suporte em forma de cordão (6), sobre o qual são fixadas bacté- rias geradoras de hidrogênio.

8. Método para produzir hidrogênio de acordo com a reivindica- ção 7, caracterizado pelo fato de que o suporte em forma de cordão (6) tem uma estrutura trançada, na qual fibras formam um padrão rendado.

9. Método para produzir hidrogênio de acordo com a reivindica- ção 7, caracterizado pelo fato de que o suporte em forma de cordão (6) é retido por um retentor (7) em um estado esticado pela fixação das duas ex- tremidades do suporte em forma de cordão.

10. Método para produzir hidrogênio de acordo com a reivindica- ção 9, caracterizado pelo fato de que o retentor (7) compreende duas extre- midades (8a, 8b) que estão posicionadas para estar voltadas uma para a outra e têm uma estrutura de rede, e uma armação (9) que retém as duas extremidades (8a, 8b) a uma distância especificada uma da outra.

11. Método para produzir hidrogênio de acordo com a reivindica- ção 7, caracterizado pelo fato de que o meio de mistura tem um agitador (3, 10) que é capaz de girar em torno do eixo rotativo, que se estende na dire- ção de extensão na qual o suporte em forma de cordão (6) está aplicado, e a fermentação de hidrogênio é realizada sob mistura do líquido de tratamento (100) no fermentador de hidrogênio (2) pelo meio de mistura.

12. Método para produzir hidrogênio de acordo com a reivindica- ção 7, caracterizado pelo fato de que é aplicado o meio de mistura, o meio de mistura tendo a linha de circulação conectada ao fermentador de hidro- gênio (2) nas duas extremidades do mesmo e criando uma corrente do líqui- do de tratamento no fermentador de hidrogênio (2), retirando o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio de uma extremidade do mesmo e introduzindo o líquido de tratamento no fermentador de hidrogênio pela outra extremidade do mesmo, e a fermentação de hidrogênio é realizada sob mis- tura do líquido de tratamento (100) no fermentador de hidrogênio (2) pelo meio de mistura.