BRPI1001753A2

BRPI1001753A2 - MODEL OF A TECHNOLOGICAL BIOPROCESS FOR BIOGAS GENERATION FROM SUGAR CANE

Info

Publication number: BRPI1001753A2
Application number: BRPI1001753-4A2A
Authority: BR
Inventors: Fabio De Melo Resende
Original assignee: Univ Fed Sergipe
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2014-04-29

Abstract

MODELO DE UM BIOPROCESSO TECNOLÓGICO, PARA GERAÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR. A presente invenção, do modelo do bioprocesso tecnológicopermite gerar biogás, a partir da bioconversão do bagaço de cana-de-açúcar, usando-se dois reatores anaeróbios em duas etapas. A primeira realiza-se no reator (1) denomina-se hidrólise enzimática do bagaço de cana-de-açúcar para quebra da lignina, celulose e hemicelulose. A segunda etapa realiza-se no reator (2) é a fermentação metânica onde ocorre a produção do biogás. Na primeira etapa no reator (1) usa-se um fungo anaeróbio que foi isolado a partir de excrementos bovinos chamado de Neocallimastix frontalis que tem a capacidade de degradar celulose, lignina e hemicelulose. Na segunda etapa no reator (2), usa-se bactérias metanogênicas isoladas a partir de lodos anaeróbios em reatores UASB. O protótipo é constituído pelos reatores anaeróbios (1) e (2). O reator (1) de 35 centímetros de altura, 20 centímetros de diâmetro com capacidade de 500 mililitros ocorre a hidrólise enzimática do bagaço de cana realizada pelo fungo anaeróbio Neocallimastix frontalis. Após 48 horas 2/3(dois terços) do mistura reacional é enviada ao reator (2) de 50 centímetros de altura, 25 centímetros de diâmetro com capacidade de 1000 mililitros o qual já contém no seu interior a bactéria metanogénica em desenvolvimento, ocorrendo a fermentação metânica durante o período de 48 horas e formação do biogás.MODEL OF A TECHNOLOGICAL BIOPROCESS FOR BIOGAS GENERATION FROM SUGARCANE SUGAR. The present invention, based on the technological bioprocess model, allows the generation of biogas from the bioconversion of sugarcane bagasse, using two anaerobic reactors in two stages. The first is carried out in the reactor (1) called enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse to break down lignin, cellulose and hemicellulose. The second stage takes place in the reactor (2) is the metallic fermentation where the production of biogas takes place. In the first stage in the reactor (1) an anaerobic fungus is used that was isolated from bovine excrement called Neocallimastix frontalis which has the ability to degrade cellulose, lignin and hemicellulose. In the second stage in the reactor (2), methanogenic bacteria isolated from anaerobic sludge in UASB reactors are used. The prototype consists of the anaerobic reactors (1) and (2). The reactor (1) of 35 centimeters in height, 20 centimeters in diameter with a capacity of 500 milliliters occurs the enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse carried out by the anaerobic fungus Neocallimastix frontalis. After 48 hours 2/3 (two thirds) of the reaction mixture is sent to the reactor (2) 50 centimeters in height, 25 centimeters in diameter with a capacity of 1000 milliliters which already contains the developing methanogenic bacteria inside, occurring the methane fermentation during the 48 hour period and biogas formation.

Description

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MODELO DE UM BIOPROCESSO TECNOLÓGICO, PAK^ GERAÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DO BAGAÇO DE CANA-DE-^ AÇÚCAR. v ^MODEL OF A TECHNOLOGICAL BIOPROCESS, PAK ^ BIOGAS GENERATION FROM SUGAR CANE MASS. v ^

Refere-se a presente invenção ao modelo de um bioprocesso tecnológico para produção de biogás a partir do bagaço de cana-de-açúcar proveniente de usinas de álcool e açúcar, em bioreatores anaeróbios envolvendo a digestão anaeróbia, usando-se no bioreator (1) o fungo anaeróbio (Neocallimastix frontalis) isolado a partir de excrementos bovinos que apresenta a capacidade de biodegradar a celulose, lignina e ío hemicelulose presente no bagaço de cana-de-açúcar e gerar biogás. No bioreator (2) a bactéria metanogênica isolada a partir do lodo de estações de tratamento anaeróbio biodegrada a parcela de 2/3(dois terços) da mistura reacional originário do bioreator (I). No bioreator (1) ocorre a etapa de hidrólise enzimática promovida por fungos filamentosos e no bioreator (2) ocorre a etajja da fermentação metânica realizada por bacatérias metanogênicas. O bioprocesso realiza-se em dois estágios, isto é, a biodegradação da cadeia de celulose, lignina e hemicelulose (hidrólise), realiza-se em um reator separado, no bioreator (1) que é o núcleo central. E a fermentação metânica evolvendo as etapas de (acetogênese e metanogênese) realiza-se no bioreator (2). O modelo do bioprocesso experimental segue um regime contínuo depois da partida inicial, com um tempo de detenção hidráulica em cada bioreator de 96 horas. A partir deste período o bioprocesso atinge o regime cotítínuo.The present invention relates to the model of a technological bioprocess for the production of biogas from sugarcane bagasse from sugar and alcohol plants in anaerobic bioreactors involving anaerobic digestion using the bioreactor (1) the anaerobic fungus (Neocallimastix frontalis) isolated from bovine excrement that has the ability to biodegrade cellulose, lignin and hemicellulose ions present in sugarcane bagasse and generate biogas. In the bioreactor (2) the methanogenic bacteria isolated from the anaerobic treatment plant sludge biodegrades the 2/3 (two thirds) portion of the reaction mixture originating from the bioreactor (I). In the bioreactor (1) there is the enzymatic hydrolysis step promoted by filamentous fungi and in the bioreactor (2) there is the etajja of the methane fermentation performed by methanogenic bacteria. The bioprocess is performed in two stages, that is, the biodegradation of the cellulose, lignin and hemicellulose chain (hydrolysis) is performed in a separate reactor in the bioreactor (1) which is the central nucleus. And the methane fermentation involving the stages of (acetogenesis and methanogenesis) takes place in the bioreactor (2). The experimental bioprocess model follows a continuous regime after initial start-up, with a hydraulic detention time in each bioreactor of 96 hours. From this period the bioprocess reaches the daily regime.

Atualmente os bioprocessos tecnológicos industriais para geração 25 de biogás a partir da digestão anaeróbia são todos baseados na biodegradação do resíduo sólido urbano (Lixo) sejam em aterros sanitários ou em plantas comerciais que funcionam com a tecnologia de bioreatores em único estágio. Mesmo para estas tecnologias a hidrólise de materiais vegetais ou lignocelulósicos é considerada uma barreira que retarda o processo de digestão anaeróbia aumentando o tempo de detenção hidráulièfe (TDH) dentro dos bioreatores.Currently the industrial technological bioprocesses for biogas generation from anaerobic digestion are all based on the biodegradation of urban solid waste (Waste) either in landfills or commercial plants that work with single stage bioreactor technology. Even for these technologies hydrolysis of plant or lignocellulosic materials is considered a barrier that slows the anaerobic digestion process by increasing the hydraulic holding time (TDH) within the bioreactors.

A digestão anaeróbia (DA) é um processo de conversão de matéria orgânica em condições de ausência de oxigênio livre, e ocorre em dois ou quatro estágios a depender da estrutura da matéria-prima: primeiro ocorre a conversão de orgânicos complexos em materiais como ácidos voláteis; e depois a conversão destes ácidos orgânicos, gás carbônico e hidrogênio em produtos finais gasosos, o metano e o gás carbônico.Anaerobic digestion (AD) is a process of converting organic matter into free oxygen free conditions, and it occurs in two or four stages depending on the structure of the raw material: first the conversion of complex organics into materials such as volatile acids occurs. ; and then the conversion of these organic acids, carbon dioxide and hydrogen into gaseous end products, methane and carbon dioxide.

Basicamente os métodos ou tipos de sistemas utilizados para tratar anaerobicamente os resíduos sólidos urbanos (RSU) podem ser classificados nas seguintes categorias:Basically the methods or types of systems used to anaerobically treat municipal solid waste (MSW) can be classified into the following categories:

1)Estágio único;1) Single stage;

2)Múltiplo estágio;2) Multiple stage;

3)Batelada;3) batch;

Com o intuito de solucionar tais inconvenientes e apresentar novos caminhos para o desenvolvimento de tecnologias mais ágeis e otimizadas foi concebido o modelo do bioprocesso tecnológico que envolve dois bioreatores anaeróbios com um processo de multi-estágios nos quais as fases de hidrólise enzimática e acidogênese realiza-se no bioreator (I). As fases de acetogênese e metanogênese ocorrem no bioreator (2).In order to solve these drawbacks and to present new ways for the development of more agile and optimized technologies, the technological bioprocess model was conceived that involves two anaerobic bioreactors with a multistage process in which the enzymatic hydrolysis and acidogenesis phases are performed. if in the bioreactor (I). The stages of acetogenesis and methanogenesis occur in the bioreactor (2).

Com a separação das etapas conseguiu-se com o modelo do bioprocesso tecnológico, redução no tempo de detenção hidráulica (TDH) do material lignocelulósico presente no bagaço de cana-de-açúcar para bioconversão em biogás com eficiência de processo entre [ 80% - 90%] para 96 horas em cada bioreator. Face a interligação proposta entre os dois bioreatores (1) e (2) onde a mistura reacional cuja matéria-prima inicial o bagaço de cana-de-açúcar com granulometria de 1000 mm que não foi submetida ao processo de deslignificação e o inóculo do microrganismo, formado pelo fungo anaeróbio (Neocallimastixfrontalis) após 96 horas no *With the separation of the steps, the technological bioprocess model reduced the hydraulic detention time (TDH) of the lignocellulosic material present in the sugarcane bagasse for biogas bioconversion with process efficiency between [80% - 90]. %] for 96 hours in each bioreactor. In view of the proposed interconnection between the two bioreactors (1) and (2) where the reaction mixture whose initial raw material is the sugarcane bagasse with a size of 1000 mm that was not submitted to the delignification process and the inoculum of the microorganism , formed by the anaerobic fungus (Neocallimastixfrontalis) after 96 hours at *

bioreator (1), 2/3 (dois terços) da mistura reacional é transferida par^Ob. bioreator (2) no qual ocorre a fermentação metânica acelerando o proces&çv^g de formação do biogás.bioreactor (1), 2/3 (two thirds) of the reaction mixture is transferred to Ob. bioreactor (2) in which metallic fermentation occurs accelerating the biogas formation process.

A invenção poderá ser compreendida através da descrição detalhada a seguir:The invention may be understood from the following detailed description:

O modelo do bioprocesso tenológico para bioconversão do bagaço de cana-de-açúcar sem deslignificação tem como finalidade gerar o biogás, com um teor de gás metano na faixa entre [ 50% - 65%] de concentração. Com uma eficiência de processo entre [80% - 90%]. O modelo foi erigido a ío partir de hipóteses e do estado da técnica dentro da biotecnologia de geração de biogás, a partir da bioconversão do bagaço de cana-de-açúcar.The tenological bioprocess model for bioconversion of sugarcane bagasse without delignification aims to generate biogas, with a methane content in the range of [50% - 65%] concentration. With a process efficiency between [80% - 90%]. The model was built based on hypotheses and the state of the art within the biogas generation biotechnology, from the sugarcane bagasse bioconversion.

O bioprocesso trabalha em regime contínuo em bioreatores de multi-estágios, sendo que as etapas de hidrólise e acidogênese, acetogênese e metanogênese serão realizadas em reatores separados. O bioreator (1) é 15 um equipamento experimental de concepção própria no qual se realiza a hidrólise enzimática. No bioreator (2) realiza-se a etapa da fermentação metânica. Ambos os bioreatores funcionam sob condições de anaerobismo, isto é, na ausência de oxigênio ou atmosfera deplecionada.The bioprocess works in a continuous regime in multi-stage bioreactors, and the hydrolysis and acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis steps will be performed in separate reactors. The bioreactor (1) is a self-designed experimental equipment in which enzymatic hydrolysis is performed. In the bioreactor (2), the metallic fermentation step is performed. Both bioreactors operate under anaerobic conditions, ie in the absence of oxygen or depleted atmosphere.

Com o intuito de se avaliar a produção do biogás a partir da bioconversão do bagaço de cana-de-açúcar sem deslignificação.In order to evaluate the production of biogas from the bioconversion of sugarcane bagasse without delignification.

O modelo experimental envolve duas etapas bem distintas na produção do biogás a partir do bagaço de cana-de-açúcar.The experimental model involves two very distinct stages in the production of biogas from sugarcane bagasse.

Primeiramente realiza-se a hidrólise enzimática da celulose e da lignina que se encontra no bagaço de cana-de-açúcar que é a etapa limitante 25 dos processos de digestão anaeróbia (DA), a qual se desenvolve no primeiro bioreator denominado de núcleo central, ou bioreator (I). No reator do núcleo central ocorre a hidrólise enzimática do bagaço de cana- de-açúcar sem a etapa do pré-tratamento da deslignificação, ou seja, sem a quebra da cadeia de lignina que reveste o material celulósico. O modelo experimental do bioreator (1) apresenta a parte inferior^ R formada por aço inoxidável com altura de 25 centímetros e a parte superior formada por vidro em boro silicato com altura de 10 centímetros.First, enzymatic hydrolysis of cellulose and lignin in the sugarcane bagasse is the limiting step 25 of the anaerobic digestion (DA) processes, which develops in the first bioreactor called the central nucleus, or bioreactor (I). In the central core reactor, enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse occurs without the pre-treatment of delignification, that is, without breaking the lignin chain lining the cellulosic material. The experimental model of the bioreactor (1) presents the lower part ^ R formed by stainless steel with height of 25 cm and the upper part formed by glass in boron silicate with height of 10 cm.

A parte superior é dotada por 3 (três) saídas sendo que a saída central com Vz centímetro de diâmetro é utilizada para captar o biogás que vai sendo formado durante a etapa de hidrólise enzimática da celulose, hemicelulose e lignina.The upper part has 3 (three) exits and the central outlet with Vz centimeter in diameter is used to capture the biogas that will be formed during the enzymatic hydrolysis of cellulose, hemicellulose and lignin.

Esta saída central se encontra conectada a uma mangueira de V? polegada de diâmetro e 4 mm de espessura com tamanho de 75 ío centímetros, a qual esta conectada ao cilindro graduado de plástico com capacidade de 1000 mililitros, preenchido com uma solução de 15% de hidróxido de sódio imerso em um béquer de plástico. Este sistema exerce a função de um gasômetro, ou seja, armazenar e permitir a medição direta do metano que vai sendo formado ao longo da hidrólise enzimática no 15 bioreator (1).Is this center outlet connected to a V hose? 75 mm in diameter and 4 mm thick, which is connected to the 1000 milliliter graduated plastic cylinder filled with a 15% solution of sodium hydroxide immersed in a plastic beaker. This system performs the function of a gasometer, that is, to store and allow direct measurement of the methane being formed along the enzymatic hydrolysis in the 15 bioreactor (1).

O bioreator (1) é alimentado com uma massa de bagaço de cana- de-açúcar, sem deslignificação, tendo granulometria de 1000 mm. A massa é equivalente a 60% (p/v) do volume útil que é de 500 mililitros e 10% do inóculo, ou seja, do microrganismo que é a cepa do fungo Neocallimastix 20 frontalis onde se encontram presentes as enzimas celulases, carboximetilcelulases e lignina peroxidases, responsáveis pela bioconversão, isto é, por realizar o processo de hidrólise enzimática da cadeia de celulose, hemicelulose e lignina presente no resíduo agro- indusrial bagaço de cana-de-açúcar provenientes de usinas de álcool e 25 açúcar.The bioreactor (1) is fed with a sugarcane bagasse mass, without delignification, having a particle size of 1000 mm. The mass is equivalent to 60% (w / v) of the useful volume which is 500 milliliters and 10% of the inoculum, ie the microorganism which is the strain of the Neocallimastix 20 frontalis fungus where the enzymes cellulases, carboxymethylcellulases and lignin peroxidases, responsible for the bioconversion, that is, for carrying out the enzymatic hydrolysis process of the cellulose, hemicellulose and lignin chain present in the agro-industrial residue sugarcane bagasse from sugar and alcohol plants.

Antes de ser carregado no reator, o bagaço é devidamente caracterizado para se saber o teor de celulose e lignina, isto permitirá o acompanhamento da curva de decaimento da celulose. A opção pela granulometria de 1000 mm, se deve ao fato de aumentar a superfície de -É-.Before being loaded into the reactor, the bagasse is properly characterized to know the cellulose and lignin content, this will allow the cellulose decay curve to be monitored. The choice of 1000 mm grain size is due to the fact that it increases the surface of -É-.

»•■/4 » ’·»• ■ / 4» ’·

contato permitindo que o substrato se tome mais acessível as enzimas k: produzidas a partir do inóculo. ^contact allowing the substrate to become more accessible to k: enzymes produced from the inoculum. ^

As variáveis operacionais para rodar o bioprocesso experimental deverão ser mantidas dentro das seguintes faixas descritas a seguir para que se obtenha um rendimento desejável entre [ 80%-93%] de biogás.The operating variables for running the experimental bioprocess should be kept within the following ranges described below to achieve a desirable yield of [80-93%] biogas.

Faixa de operacionalização das variáveis do bioreator (1) - Reator de Hidrólise enzimática as quais compõem a matriz do planejamento experimentalOperating range of bioreactor variables (1) - Enzymatic Hydrolysis Reactor which make up the experimental design matrix

Temperatura [ 28 - 35 ] 0C ; ío Potencial hidrogeniônico (pH) .·. [ 2,5 - 5,0 ]Temperature [28 - 35] 0C; Hydrogen potential (pH). [2.5 - 5.0]

Agitação /. [ 70 - 90 ] rpmAgitation. [70 - 90] rpm

Estas variáveis são restritas ao bioreator (1), onde se realiza a etapa da hidrólise enzimática da celulose e hemicelulose pelo fungo filamentoso Neocallimastix frontalis isolado a partir de excrementos de animais herbívoros.These variables are restricted to the bioreactor (1), where the enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose is performed by the filamentous fungus Neocallimastix frontalis isolated from excrement of herbivorous animals.

Na etapa da hidrólise enzimática se processa a biodegradação pelas enzimas que são excretadas pelo fungo Neocallimastix frontalis a mistura reacional é constituída por 300 gramas de bagaço de cana-de-açúcar, 50 mililitros do inóculo, onde se encontra presente o fungo anaeróbio 20 Neocallimastix frontalis e 150 mililitros de água de boa qualidade, onde são dissolvidos os suplementos relacionados logo abaixo:In the enzymatic hydrolysis step the biodegradation by the enzymes that are excreted by the fungus Neocallimastix frontalis is processed. The reaction mixture is composed of 300 grams of sugarcane bagasse, 50 milliliters of the inoculum, where the anaerobic fungus 20 Neocallimastix frontalis is present. and 150 milliliters of good quality water, where the related supplements are dissolved below:

Os nutrientes suplementares são disssolvidos nos 150 mililitros de água nas seguintes composições expressas em gramas por litro (g/L):Supplemental nutrients are dissolved in 150 milliliters of water in the following compositions expressed in grams per liter (g / L):

1.0 g.L'1 (NH4)2SO4 - Sulfato Amoniacal;1.0 g.L'1 (NH4) 2 SO4 - Ammoniacal Sulphate;

2,0 g.L'1 KH2PO4 - Fosfato Monobásico de Potássio;2.0 g.L'1 KH2PO4 - Monobasic Potassium Phosphate;

0,1 g.L'1 NH2CONH2- Uréia;0.1 g.L'1 NH2CONH2-Urea;

0,3 g.L'1 MgSO4 -Sulfato de Mamésio;0.3 g.L'1 MgSO4 -Masmonium Sulphate;

0,3 g.L"1 CaCl2 - Cloreto de Cálcio;0.3 g.L-1 CaCl2 - Calcium Chloride;

5.0 mg.L'1 FeSO4 - Sulfato Ferroso; 6/12 ^ <5.0 mg.L'1 FeSO4 - Ferrous Sulphate; 6/12 ^ <

II

1,0% p/v de Tioglicolato de Sódio que funciona como um redu%r1.0% w / v Sodium Thioglycolate which works as a% r

químico assegurando que todo o oxigênio do meio, seja consumido pelo redutor, tomando o meio anaeróbio. Possibilitando o desenvolvimento do fungo anaeróbio Neocallimastix frontalis que está sendo transferido junto com o inóculo.chemical ensuring that all the oxygen in the medium is consumed by the reducer, taking the anaerobic medium. Enabling the development of the anaerobic fungus Neocallimastix frontalis being transferred along with the inoculum.

O ácido fosfórico é usado para realizar a correção do potencial hidrogeniônico (pH), pois o fungo anaeróbio só apresentará condições de expressão gênica das enzimas de interesse, quando submetido a um pH especifico que se situe na faixa operacional entre [ 3,5 - 5,0 ]. ío Esta mistura reacional é carregada no bioreator (1) do bioprocessoPhosphoric acid is used to perform the correction of the hydrogen potential (pH), because the anaerobic fungus will only present conditions of gene expression of the enzymes of interest, when submitted to a specific pH that is in the operating range between [3,5 - 5 .0]. This reaction mixture is charged to the bioprocess bioreactor (1).

experimental, onde permanece por um tempo de residência de 96 horas.where it remains for a residence time of 96 hours.

O biogás originário da hidrólise enzimática no bioreator (1), cujo volume é medido diretamente no gasômetro, o gás carbônico é absorvido pela solução de hidróxido de sódio 15% (p/V). Os compostos de cadeias menores como sacarose, glicose e frutose são monitorados pelo MétodoBiogas originating from enzymatic hydrolysis in the bioreactor (1), whose volume is measured directly in the gasometer, carbon dioxide is absorbed by the 15% (w / V) sodium hydroxide solution. Lower chain compounds such as sucrose, glucose and fructose are monitored by the

rr

DNS (Acido -3,5- dinitrosalicílico) para açúcares redutores.DNS (dinitrosalicylic acid) for reducing sugars.

Após o término do tempo de residência de 96 horas no bioreator (1), recomenda-se que 2/3 (dois terços) do volume do mesmo seja descarregado e que o restante, ou seja, os outros 1/3 (um terço) sejam 20 mantidos dentro do bioreator (I). Esta biomassa que permanece no bioreator (1) será acrescida por uma carga nova de bagaço de cana-de- açúcar sem deslignificação. A composição nos 2/3 (dois terços) que irá entrar no bioreator (1) resguarda uma correlação com os valores da primeira carga.After the residence time of 96 hours in the bioreactor (1) has expired, it is recommended that 2/3 (two thirds) of the bioreactor volume be discharged and the remainder, ie the other 1/3 (one third). 20 are kept inside the bioreactor (I). This biomass remaining in the bioreactor (1) will be added by a new load of sugarcane bagasse without delignification. The 2/3 (two thirds) composition that will enter the bioreactor (1) protects a correlation with the values of the first charge.

Este carga completará o volume útil do bioreator (1), com umaThis charge will complete the usable volume of the bioreactor (1) with a

nova concentração de substrato presente na matéria-prima que é o bagaço de cana-de-açúcar sem deslignificação. Assim o processo permanece de forma contínua a partir do momento em que é dada a partida no bioprocesso experimental. O biogás originado nesta etapa, ou seja, a partir da hidrófise;i. enzimática da celulose, hemicelulose e lignina é armazenado em um : recepiente de plástico com capacidade de 1000 mililitros, o qual denominamos de gasômetro que fica preenchido com uma solução de 15%new substrate concentration present in the raw material that is sugarcane bagasse without delignification. Thus the process remains continuous from the moment it is started in the experimental bioprocess. Biogas originated at this stage, i.e. from hydrophysis; The cellulose, hemicellulose and lignin enzyme is stored in a: 1000 milliliter plastic container, which we call a gasometer that is filled with a 15% solution.

de hidróxido de sódio.of sodium hydroxide.

A saída superior da esquerda do bioreator (1), também com V2 centímetro de diâmetro, é utilizada para conectar um medidor de potencial hidrogêniônico (pH), o qual é responsável por monitorar o pH no interior do reator da mistura reacional assegurando que este permaneça na faixa de 10 trabalho do fungo anaeróbio entre [3,5 -5,0], Isto possibilita a correção do potencial hidrogêniônico (pH) dentro da faixa de operacionalização o medidor de potencial hidrogêniônico (pH) acoplado ao bioreator (1).The upper left bioreactor output (1), also V2 centimeter in diameter, is used to connect a hydrogen potential (pH) meter, which is responsible for monitoring the pH inside the reactor of the reaction mixture ensuring that it remains In the 10 working range of the anaerobic fungus between [3,5 -5,0], This enables the correction of the hydrogen potential (pH) within the operating range the hydrogen potential meter (pH) coupled to the bioreactor (1).

Fora da faixa do pH de [3,5 à 5,0] o fungo filamentoso Neocallimastix frontalis não apresenta a capacidade de expressão gênica 15 das enzimas de interesse que são: celulases, carboximetilcelulases e Lignina peroxidase. A saída superior da direita do bioreator (1) encontra- se conectada a uma bomba peristáltica responsável por alimentar o bioreator (2) com a mistura reacional na vazão de 75 mililitros/minuto. Esta conexão é feita com uma mangueira de V2” polegada de diâmetro e 4 mm 20 de espessura e tamanho de 50 centímetros. A saída inferior do bioreator (1) e acoplada a sucção da bomba dosadora peristáltica por meio de uma mangueira com as seguintes dimensões de 14” polegada de diâmetro e 4 mm de espessura e tamanho 50 centímetros.Outside the pH range of [3.5 to 5.0], the filamentous fungus Neocallimastix frontalis does not have the gene expression capacity of the enzymes of interest: cellulases, carboxymethylcellulases and lignin peroxidase. The upper right outlet of the bioreactor (1) is connected to a peristaltic pump responsible for feeding the bioreactor (2) with the reaction mixture at a flow rate of 75 milliliters / minute. This connection is made with a V2 ”hose in diameter and 4mm 20 in thickness and 50cm size. The bottom outlet of the bioreactor (1) is coupled to the suction of the peristaltic metering pump by means of a hose with the following dimensions 14 ”in diameter and 4 mm in thickness and size 50 cm.

Através desta mangueira ocorre a sucção da mistura reacional na 25 vazão de 75 mililitros/minutos, a qual é injetada pela parte superior do bioreator (2) este equipamento irá desenvolver a fermentação metânica responsável por produizir uma maior quantidade de biogás a partir do bagaço. A entrada lateral do bioreator (1) é acoplada a uma válvula esfera de V2” por meio da qual é feita a admissão de uma nova mistura reacional. Após descarga dos 2/3 (dois terços) que foi retirada do bioreator (1), ou seja, bioreator central, a mistura reacional segue agora para o bioreator (2), onde será submetida ao processo de digestão anaeróbia por bactérias metanogênicas dando origem ao volume maior de biogás.Through this hose the suction of the reaction mixture occurs in the flow rate of 75 milliliters / minutes, which is injected by the upper bioreactor (2). This equipment will develop the metallic fermentation responsible for producing a larger amount of biogas from the bagasse. The bioreactor side inlet (1) is coupled to a V2 ”ball valve through which a new reaction mixture is admitted. After discharge of the 2/3 (two thirds) that was removed from the bioreactor (1), ie central bioreactor, the reaction mixture now proceeds to the bioreactor (2), where it will undergo the anaerobic digestion process by methanogenic bacteria giving rise to the higher volume of biogas.

Uma exigência do bioprocesso nesta etapa, é que o bioreator (1), onde se desenvolve a hidrólise enzimática anaeróbia esteja completamente vedado, para que não ocorra a entrada de oxigênio dentro do reator, está vedação é realizada com cola atóxica de silicone nas partes que apresentam aberturas e entre as junções dos materiais de vidro e aço inox.A requirement of the bioprocess in this step is that the bioreactor (1), where the anaerobic enzymatic hydrolysis develops, is completely sealed, so that oxygen does not enter the reactor, this seal is made with non-toxic silicone glue on the parts that have openings and between the joints of glass and stainless steel materials.

Além disto é uma condição “sine qua non” a injeção de gás nitrogênio para permitir a expulsão do ar que fica aprisionado no iiHead space” do bioreator (1). Está injeção ocorre com uma vazão na faixa entre [ 1,5 - 4,0 ] mililitros/minuto.In addition, it is a “sine qua non” condition for nitrogen gas injection to allow the air trapped in the bioreactor iiHead space (1) to be expelled. This injection occurs with a flow in the range of [1.5 - 4.0] milliliters / minute.

Durante o tempo de 30 minutos a injeção do gás nitrogênio ocorre pela entrada situada na parte inferior do bioreator (1), isto contribui para homogeneizar a mistura reacional entre o bagaço de cana-de-açúcar e o inóculo proveniente do reator de armazenagem que comporta 100 mililitros de inóculo. Este reator de armazenamento se encontra completamente vedado. O inóculo é transferido para o bioreator (1) , ou seja, o reator central por meio da bomba dosadora peristáltica, onde a sucção se encontra conectada ao reator de inóculo. O bioreator de inóculo permite que a biomassa adquira uma estabilidade e acelere o processo no primeiro estágio do bioreator (1) do bioprocesso experimental.During the 30-minute injection of nitrogen gas occurs through the inlet at the bottom of the bioreactor (1), this helps to homogenize the reaction mixture between the sugarcane bagasse and the inoculum from the storage reactor that holds 100 milliliters of inoculum. This storage reactor is completely sealed. The inoculum is transferred to the bioreactor (1), ie the central reactor through the peristaltic dosing pump, where the suction is connected to the inoculum reactor. The inoculum bioreactor allows the biomass to acquire stability and accelerate the process in the first stage of the experimental bioprocess bioreactor (1).

A transferência dos 50 mililitros do inóculo para o bioreator (1), ocorre 30 minutos depois que o bioreator (1) for carregado com 300 gramas de bagaço de cana-de-açúcar sem deslignificação, e 150 mililitros de água de boa qualidade contendo os suplementos dissolvidos.The transfer of 50 milliliters from the inoculum to the bioreactor (1) occurs 30 minutes after the bioreactor (1) is loaded with 300 grams of non-delignified sugarcane bagasse and 150 milliliters of good quality water containing the dissolved supplements.

O gás nitrogênio é injetado para promover a homogeneização da mistura reacional. / to %Nitrogen gas is injected to promote homogenization of the reaction mixture. / to%

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Após ter decorrido o tempo de residência entre [ 72 - 96 ] horas^aRnb. ,^V mistura reacional que se encontra dentro do bioreator (1) é descarregada^?- apenas 2/3 (dois terços) o qual segue para o bioreator (2), onde ocorre o processo de fermentação metânica que é a segunda fase do bioprocesso experimental.After the residence time has elapsed between [72 - 96] hours ^ aRnb. The reaction mixture inside the bioreactor (1) is discharged only 2/3 (two thirds) which goes to the bioreactor (2), where the metallic fermentation process which is the second phase of the bioreactor occurs. experimental bioprocess.

Nesta etapa todas as condições de operacionalização são mudadas pois passa-se a trabalhar com microrganismos denominados de bactérias, aqui especificadas como metanogênicas (Methanosarcinas) que bioconverte os metabólitos provenientes da hidrólise enzimática anaeróbia ío realizada no bioreator (1) em biogás, aumentando desta forma o rendimento do bioprocesso.At this stage all operating conditions are changed because we start to work with microorganisms called bacteria, specified here as methanogenic (Methanosarcinas) that bioconvert the metabolites from the anaerobic enzymatic hydrolysis carried out in the bioreactor (1) in biogas, thus increasing. the yield of the bioprocess.

Ressalva-se que o modelo do bioprocesso experimental aqui descrito se realiza em dois estágios é após a partida isto é após 96 horas passa a funcionar em regime contínuo, ou seja, a alimentação da matéria- prima e dos nutrientes suplementares são feitas de forma a manter o processo suprido das necessidades.It should be noted that the experimental bioprocess model described here is performed in two stages and after startup ie after 96 hours it runs on a continuous basis, ie the feed of the raw material and the supplementary nutrients are made in such a way as to keep the process meeting the needs.

A segunda etapa do bioprocesso, que ocorre no bioreator (2), se processa a fermentação metânica. Desta forma em um único processo trabalha-se com diferentes condições para diferentes cepas de 20 microorganismos. Sendo que no primeiro reator, usa-se o microrganismo classificado como fungo filamentoso anaeróbio (Neocallimasix frontalis) isolado a partir de excrementos bovinos e no segundo se utiliza bactérias metanogênicas isolodas a partir de Iodos anaeróbios.The second stage of the bioprocess, which takes place in the bioreactor (2), is the metallic fermentation process. This way in a single process works with different conditions for different strains of 20 microorganisms. In the first reactor, the microorganism classified as anaerobic filamentous fungus (Neocallimasix frontalis) isolated from bovine excrement is used and in the second, methanogenic bacteria isolated from anaerobic iodine are used.

No bioreator (2) se realiza a digestão anaeróbia este equipamento é dotado de um motor que se encontra acoplado a uma roldana que fica localizada no centro na parte superior. No cabeçote da parte superior do bioreator (2) encontram-se três válvulas sendo uma válvula para alimentação da matéria-prima que contém o substrato que sai do bioreatorIn the bioreactor (2) anaerobic digestion is performed this equipment is equipped with a motor that is coupled to a pulley that is located in the center at the top. At the head of the upper bioreactor (2) there are three valves being a valve for feeding the raw material that contains the substrate leaving the bioreactor.

(1) recebendo desta forma 2/3 (dois terços) da mistura reacional. cV(1) thus receiving 2/3 (two thirds) of the reaction mixture. cV

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O bioreator (2) cuja capacidade é de 1000 mililitros recebf, R inicialmente os seguintes suplementos nas quantidades descritas abaixo: **The bioreactor (2) with a capacity of 1000 milliliters will initially receive the following supplements in the quantities described below: **

40 g.L'1 Acetato de sódio P.A.;40 g.L'1 Sodium acetate P.A .;

5.0 g.L1 Glicose P.A,;5.0 g.L1 Glucose P.A;

2,0 g.L'1 Tioglicolato de sódio;2.0 g.L'1 sodium thioglycolate;

1.0 g.L1 Sulfato Ferroso P.A.,1.0 g.L1 Ferrous Sulphate P.A.,

1.0 g.L'1 Sulfato de Mangânes P.A;1.0 g.L'1 Manganese Sulfate P.A;

Dissolvidos em 250 mililitros de água de boa qualidade e acrescido de 100 mililitros do inóculo que contém a ressuspensão de bactérias metanogênicas.Dissolved in 250 milliliters of good quality water plus 100 milliliters of the inoculum containing the resuspension of methanogenic bacteria.

O bioreator (2) é fechado e o motor que se encontra acoplado ao agitador é ligado dando início ao processo de digestão anaeróbia, esta etapa ocorre para manter o reator funcionando gerando biogás antes mesmo de receber a primeira carga da mistura reacional com o material contendo a celulose já biodecomposta.The bioreactor (2) is closed and the motor that is coupled to the stirrer is started starting the anaerobic digestion process, this step occurs to keep the reactor running generating biogas even before receiving the first charge of the reaction mixture with the containing material. already decomposed cellulose.

O processo de digestão anaeróbia (DA) permanece no bioreator (2) por 96 horas antes de receber a primeira carga proveniente do bioreator (1).The anaerobic digestion (AD) process remains in the bioreactor (2) for 96 hours before receiving the first charge from the bioreactor (1).

A primeira carga formada por 2/3 (dois terços) da mistura reacional proveniente do bioreator (1), é constituída por microrganismos que realizaram a hidrólise enzimática da celulose em monômeros de sacarose, glicose, frutose e outros. Esta proporção corresponde a aproximadamente [ 300 - 333 ] gramas de mistura reacional que são transferidos ao bioreatorThe first charge formed by 2/3 (two thirds) of the reaction mixture from bioreactor (1), consists of microorganisms that performed the enzymatic hydrolysis of cellulose in sucrose, glucose, fructose and others monomers. This ratio corresponds to approximately [300 - 333] grams of reaction mixture which is transferred to the bioreactor.

(2), através da bomba dosadora peristáltica em uma vazão constante. A admissão desta massa reacional no bioreator (2) originária do bioreator (1),(2) through the peristaltic metering pump at a constant flow rate. Admission of this reaction mass to the bioreactor (2) originating from the bioreactor (1),

só ocorre após 96 horas de funcionamento do modelo do bioprocesso experimental.only occurs after 96 hours of operation of the experimental bioprocess model.

Com isto os bioreatores (1) e (2), funcionam de forma independentes embora a eficácia do bioprocesso dependa intrinsecamente do perfeito funcionamento de ambos. Λ \*«\ϊ *ν·ί φ 11/12With this, the bioreactors (1) and (2) work independently although the effectiveness of the bioprocess depends intrinsically on the perfect functioning of both. * \ * «\ Ϊ * ν · ί φ 11/12

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Após 96 horas da partida inicial é primordial que 2/3 (dois teíÍ^f,'WHafj da mistura reacional presente no bioreator (1) seja, transferido por meio défej-5 -· *' uma bomba dosadora peristáltica para o interior do bioreator (2). Após 96 horas da primeira transferência para o bioreator (2), retira-se 2/3 da mistura 5 reacional presente no bioreator (2), deixando-o pronto para receber nova carga entrando assim em regime de processo contínuo.After 96 hours of the initial start-up it is essential that 2/3 (two hours) of the reaction mixture present in the bioreactor (1) is transferred by means of a peristaltic metering pump into the bioreactor. After 96 hours of the first transfer to the bioreactor (2), 2/3 of the reaction mixture 5 in the bioreactor (2) is removed, making it ready to receive a new charge and thus entering a continuous process.

O biogás é armazenado em um vasilhame de vidro denominado de erlenmeyer, com capacidade de 500 mililitros o qual se encontra completamente vedado com uma rolha de silicone com um furo no centro, ío a qual se encontra acoplada uma mangueira com as seguintes dimensões polegada de diâmetro e 4 mm de espessura e tamanho 50 centímetros.The biogas is stored in an erlenmeyer glass container with a capacity of 500 milliliters which is completely sealed with a silicone bore with a hole in the center, which is coupled to a hose with the following dimensions inch in diameter. and 4 mm thick and 50 cm size.

Que sai do reator (2) por uma válvula de Vz’ é mantida sempre aberta para alimentar o vasilhame de armazenagem do biogás.Leaving the reactor (2) via a Vz 'valve is always kept open to feed the biogas storage vessel.

Este vasilhame se encontra sobre uma balança analítica para registrar qualquer variação na formação do biogás. A balança fica ligada de forma intermitente registrando o incremento de massa que é obtido a partir da fermentação metânica.This container is placed on an analytical balance to record any variation in biogas formation. The balance is intermittently switched on, recording the mass increment that is obtained from the metallic fermentation.

Ao topo do cilindro de vidro que armazena o biogás existe um manômetro que registra a pressão interna do sistema, pois em caso daAt the top of the glass cylinder that stores the biogas there is a pressure gauge that records the internal pressure of the system.

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pressão atingir a pressão acima da máxima permitida que é de 2,0 Kgf/Cm a válvula de escape é aberta para que o biogás seja extravasado para o meio ambiente sem comprometer o sistema. Ou podendo até mesmo exercer uma pressão maior do que a pressão da corrente de entrada no cilindro que sai do bioreator (2).pressure reaches the pressure above the maximum allowable 2.0 Kgf / Cm the exhaust valve is opened so that the biogas is vented to the environment without compromising the system. Or it may even exert a pressure greater than the inlet current pressure in the cylinder exiting the bioreactor (2).

No bioreator (2), no qual ocorre o segundo estágio do processo, ouIn the bioreactor (2), in which the second stage of the process occurs, or

seja, a fermentação metânica, é injetada uma corrente de gás nitrogênio para possibilitar a expulsão o ar que fica retido dentro do reator após fechamento e vedação. Este gás nitrogênio é proveniente de um cilindro de gás que fica anexado ao protótipo. Oji dathat is, the metallic fermentation, a stream of nitrogen gas is injected to make it possible to expel the air that is trapped inside the reactor after closing and sealing. This nitrogen gas comes from a gas cylinder that is attached to the prototype. Oji da

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Uma corrente de gás nitrogênio na vazão de 3,0 mililitros/minut®sA nitrogen gas stream at a flow rate of 3.0 milliliters / minut®s

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é injetado dentro do bioreator (2) por um tempo de 15 minutos após ter si<^P-'lb·^ realizada a primeira carga do reator. E depois a cada 12 horas é injetado um^jg fluxo de gás nitrogênio na vazão de 1,5 mililitros/minutos por 15 minutos 5 isto tornará a atmosfera inerte e isenta de oxigênio propiciando uma atmosfera de anaerobiose acelerando-se o desenvolvimento das bactérias anaeróbias (Metanosarcinas) que foram isoladas do efluente anaeróbio da estação de tratamento como já descrito anteriormente.It is injected into the bioreactor (2) for a period of 15 minutes after the first reactor charge has been made. And then every 12 hours a nitrogen gas flow is injected at the flow rate of 1.5 milliliters / minutes for 15 minutes 5 this will make the atmosphere inert and oxygen free providing an anaerobic atmosphere accelerating the development of anaerobic bacteria (Metanosarcines) which were isolated from the anaerobic effluent from the treatment plant as previously described.

Além disto a homogeneização que a corrente de gás nitrogênio irá ío propiciar a mistura reacional, permite que os microrganismos fiquem em suspensão e dispersos na mistura reacional evitando sedimentação no fundo do bioreator (2).In addition, the homogenization that the nitrogen gas stream will provide to the reaction mixture allows the microorganisms to be suspended and dispersed in the reaction mixture avoiding sedimentation at the bottom of the bioreactor (2).

Outra variável operacional importante no segundo estágio é a agitação que é desenvolvida com um agitador mecânico de palhetas onde 15 após inicio do processo deverá ser mantido sempre dentro da faixa operacional de [ 70 - 83 ] rotações por minuto. A agitação das palhetas não deverá ficar fora da faixa especificada uma vez que elevadas rotações terminam por dificultar a formação do filme de bactérias que se forma dentro do bioreator (2), este biofilme auxilia no processo de formação do 20 biogás aumentando o rendimento do processo.Another important operating variable in the second stage is agitation which is developed with a mechanical vane stirrer where 15 after the start of the process should always be kept within the operating range of [70 - 83] revolutions per minute. Shaking of the vanes should not be outside the specified range as high rotations make it difficult to form the bacteria film that forms inside the bioreactor (2), this biofilm assists the biogas formation process by increasing the process yield. .

Todas as mangueiras usadas no modelo devem ser mangueiras tipos trançadas tendo as seguintes especificações Vá” polegada de diâmetro e 4 mm de espessura. Todas deverão ser lavadas internamente com álcool a 70% para eliminar quaisquer microrganismo indesejável ao bioprocesso.All hoses used in the model must be braided type hoses having the following specifications. ”Inch in diameter and 4 mm thick. All should be washed internally with 70% alcohol to eliminate any unwanted microorganism to the bioprocess.

Claims

1.

“MODEL OF A TECHNOLOGICAL BIOPROCESS, P /

BIOGAS GENERATION FROM CANE BAGIPE .....

SUGAR ”, characterized by producing biogas from sugarcane bagasse

in anaerobic bioreactors (1) and (2), different stages, the two bioreactors are interconnected. The bioreactor (1) has the bottom formed by stainless steel with height of 25 cm and the top formed by glass with height of 10 centimeters. The upper part is provided with 3 (three) exits and the central outlet with V2 centimeter in diameter is used to capture the biogas that will be formed during the enzymatic hydrolysis of cellulose, hemicellulose and lignin. The center outlet is connected to a 75-inch-sized 1-inch-diameter, 4-mm-thick hose, which is connected to the 1000-milliliter graduated plastic cylinder filled with a 15 percent solution of sodium immersed in a plastic becker. This system performs the function of a gasometer, that is, to capture and allow direct measurement of the methane that is being formed along the enzymatic hydrolysis in the bioreactor (I). The bioreactor (1) is fed with a sugarcane bagasse mass, without delignification in the first stage, having a particle size of 1000 mm. The mass is equivalent to 60% w / v of the useful volume of 500 milliliters and 10% of the inoculum, ie the microorganism which is the strain of the fungus Neocallimastix frontalis, where the enzymes cellulases, carboxymethylcellulases and lignin peroxidases are present. responsible for the degradation, that is, by carrying out the enzymatic hydrolysis process of the cellulose, hemicellulose and lignin chain present in the sugarcane bagasse agroindustrial residue from sugar and alcohol plants. Before being loaded into the bioreactor, the bagasse is properly characterized to know the cellulose and lignin content. The choice for the 1000 mm grain size is due to the fact that the contact surface is increased allowing the substrate to become more accessible to the enzymes produced from the inoculum. - "" <? Bioreactors (1) and (2), work independently although the efficacy -Qg - vf of the bioprocess depends intrinsically on the perfect functioning of both. After 48 hours of initial startup in the bioreactors it is paramount that 2/3 ( two) of the reaction mixture present in the bioreactor (1) is transferred by means of a peristaltic dosing pump into the bioreactor 2. After 48 hours of the first transfer to the bioreactor (2), 2/3 of the reaction mixture is removed present in the bioreactor (2), making it ready to receive a new charge, thus entering a continuous biogas production process regime.