SUSTAINABLE RESEARCH METHODOLOGY ON THE EFFECT OF THE REUSE OF BLACK LIQUOR IN THE ALKALINE PRE-TREATMENT OF GARDEN RESIDUES FOR THE PRODUCTION OF BIOGAS

Jhenifer Aline Bastos; Paula Verônica Remor; Janaina C. P. Lofhagen; Christopher A. Hawkins; Thiago Edwiges

doi:10.5585/geas.v8i3.15780

Autores

Jhenifer Aline Bastos Universidade Nove de Julho
Paula Verônica Remor
Janaina C. P. Lofhagen
Christopher A. Hawkins
Thiago Edwiges

DOI:

https://doi.org/10.5585/geas.v8i3.15780

Palavras-chave:

Metodologia, Sustentabilidade, Biogás, Metano, Lignina, Lignocelulose.

Resumo

O biogás é uma importante fonte renovável de energia, que converte material orgânico em energia. A biomassa lignocelulósica surge como uma estratégia para aumentar a produção de biogás através de pré-tratamentos que fornecem matéria orgânica ao ambiente anaeróbio. Entre os pré-tratamentos químicos disponíveis, o alcalino é o mais utilizado, pois apresenta o maior rendimento na produção de biogás. No entanto, o efluente gerado (licor negro) é um subproduto alcalino que, se descartado irregularmente, pode causar problemas ambientais. Nesse contexto, o objetivo do presente estudo é apresentar a metodologia empregada para avaliar o efeito do pré-tratamento alcalino com solução de hidróxido de potássio (KOH) aplicado a resíduos de jardim na produção de biogás e a reutilização de licor negro como novo meio alcalino. O pré-tratamento foi dividido em sete bateladas subsequentes, com a primeira batelada composta por uma solução de KOH a 5% e substrato seco e triturado (resíduo de poda de jardim). Para as demais bateladas, o licor negro da fração líquida do processo de separação foi reutilizado. Os testes de Potencial Bioquímico de Metano (PBM) foram realizados com a fração peneirada em condições mesofílicas (35°C) por 25 dias, seguindo a norma alemã VDI 4630. Os resultados mostraram que a segunda batelada teve a maior produção de biogás (620 L_N biogas/SV^-1 kg) e uma eficiência de 30% quando comparado com o substrato não pré-tratado. Efeito positivo também foi observado no rendimento de biogás após a reutilização do licor negro duas vezes, apresentando uma eficiência média de 20%. Nesse sentido, o estudo demonstra que o reuso do licor negro remanescente do pré-tratamento com KOH é uma técnica viável e sustentável para o pré-tratamento de resíduos de jardim e contribui para a redução de custos em escala real.

Downloads

Referências

Adekunle, K. F., & Okolie, J. A. (2015). A Review of Biochemical Process of Anaerobic Digestion. Advances in Bioscience and Biotechnology, 06(03), 205–212. https://doi.org/10.4236/abb.2015.63020

Al Seadi, T., Rutz, D., Prassl, H., Köttner, M., Finsterwalder, T., Volk, S., & Janssen, R. (2008). Biogas Handbook. Retrieved from www.lemvigbiogas.com

Alvira, P., Tomás-Pejó, E., Ballesteros, M., & Negro, M. J. (2010). Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresource Technology, 101(13), 4851–4861. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.11.093

APHA (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21st Edition, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC.

Aslanzadeh, S., Berg, A., Taherzadeh, M. J., & Sárvári Horváth, I. (2014). Biogas production from N-Methylmorpholine-N-oxide (NMMO) pretreated forest residues. Applied Biochemistry and Biotechnology, 172(6), 2998–3008. https://doi.org/10.1007/s12010-014-0747-z

Balat, M., Balat, H., & Öz, C. (2008). Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34(5), 551–573. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2007.11.001

Behera, S., Arora, R., Nandhagopal, N., & Kumar, S. (2014). Importance of chemical pretreatment for bioconversion of lignocellulosic biomass. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 36, 91–106. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.04.047

Brodeur, G., Yau, E., Badal, K., Collier, J., Ramachandran, K. B., & Ramakrishnan, S. (2011). Chemical and physicochemical pretreatment of lignocellulosic biomass: a review. Enzyme Research, 2011, 787532. https://doi.org/10.4061/2011/787532

Chen, W. H., Pen, B. L., Yu, C. T., & Hwang, W. S. (2011). Pretreatment efficiency and structural characterization of rice straw by an integrated process of dilute-acid and steam explosion for bioethanol production. Bioresource Technology, 102(3), 2916–2924. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.11.052

Deutsches Institut Für Normung (1985). DIN 38414: Determination of the amenability to anaerobic digestion. In: DIN, Berlin, Germany.

Jiang, Y.; Heaven, S.; Banks, C.J.; 2012. Strategies for stable anaerobic digestion of vegetable waste. Renewable Energy 44, 206–214, 2014.

Galbiatti, J.A.; Caramelo, A.D.; Silva, F.G.; Gerardi, E.A.B.; Chiconato,D.A. Estudo qualiquantitativo do biogás produzido por substratos em biodigestores tipo batelada. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, vol. 14, n°4, Campina Grande, 2010.

Hendriks, A. T. W. M., & Zeeman, G. (2009). Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 100(1), 10–18. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.05.027

Hosseini Koupaie, E., Dahadha, S., Bazyar Lakeh, A. A., Azizi, A., & Elbeshbishy, E. (2018). Enzymatic pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biomethane production-A review. Journal of Environmental Management, 233(September), 774–784. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.09.106

Liew, L. N., Shi, J., & Li, Y. (2011). Enhancing the solid-state anaerobic digestion of fallen leaves through simultaneous alkaline treatment. Bioresource Technology, 102(19), 8828–8834. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.07.005

Liu, X., Zicari, S. M., Liu, G., Li, Y., & Zhang, R. (2015). Improving the bioenergy production from wheat straw with alkaline pretreatment. Biosystems Engineering, 140, 59–66. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2015.09.006

Manochio, C., Andrade, B. R., Rodriguez, R. P., & Moraes, B. S. (2017). Ethanol from biomass: A comparative overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 80(June), 743–755. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.063

Montgomery LFR, Bochmann G. Pretreatment of Feedstock for Enhanced Biogas Production. 2014. Disponivel em: https://www.nachhaltigwirtschaften.at/resources/iea_pdf/reports/iea_bioenergy_task37_study_pretreatment.pdf

Mood, S. H., Golfeshan, A. H., Tabatabaei, M., Jouzani, G. S., Najafi, G. H., Gholami, M., & Ardjmand, M. (2013). Lignocellulosic biomass to bioethanol, a comprehensive review with a focus on pretreatment. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 27, 77–93. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.06.033

Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y. Y., Holtzapple, M., & Ladisch, M. (2005). Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 96(6), 673–686. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.06.025

Muryanto, Triwahyuni, E., Hendarsyah, H., & Abimanyu, H. (2015). Reuse black liquor of alkali pretreatment in bioethanol production. Energy Procedia, 68, 236–243. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.252

Ogeda, Thais Lucy, & Petri, Denise F. S. (2010). Hidrólise Enzimática de Biomassa. Quím. Nova, vol.33, n.7, pp.1549-1558. ISSN 0100-4042. http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422010000700023.

Oleszek M, Król A, Tys J, Matyka M, Kulik M. (2014). Comparison of biogas production from wild and cultivated varieties of reed canary grass. Bioresour Technol. 156:303–6. http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2014.01.055.

Raposo, F., De La Rubia, M. A., Fernández-Cegrí, V., & Borja, R. (2012). Anaerobic digestion of solid organic substrates in batch mode: An overview relating to methane yields and experimental procedures. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 861–877. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.09.008

Rowell, R. M., Petterson, R., Han, J. S., Rowell, J. S., & Tshabalala, M. A. (2005). Biological properties of wood. In Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites, Second Edition. https://doi.org/10.1201/b12487

Sawatdeenarunat, C., Surendra, K. C., Takara, D., Oechsner, H., & Khanal, S. K. (2015). Anaerobic digestion of lignocellulosic biomass: Challenges and opportunities. In Bioresource Technology (Vol. 178). https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.09.103

Singh, J., Suhag, M., & Dhaka, A. (2015). Augmented digestion of lignocellulose by steam explosion, acid and alkaline pretreatment methods: A review. Carbohydrate Polymers, 117, 624–631. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.10.012

Strömberg, S., Nistor, M., & Liu, J. (2014). Towards eliminating systematic errors caused by the experimental conditions in Biochemical Methane Potential (BMP) tests. Waste Management, 34(11), 1939–1948. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2014.07.018

Sun, Ye, & Cheng, Jay J.. (2005). Dilute acid pretreatment of rye straw and bermudagrass for ethanol production. Bioresource technology. 96. 1599-606. 10.1016/j.biortech.2004.12.022.

Surendra, K. C., Takara, D., Hashimoto, A. G., & Khanal, S. K. (2014). Biogas as a sustainable energy source for developing countries: Opportunities and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 31, 846–859. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.12.015

Verein Deutscher Ingenieure (2006). VDI 4630: Fermentation of organic materials Characterisation of the substrate, sampling, collection of material data, fermentation tests. Düsseldorf.

Wang, W., Chen, X., Tan, X., Wang, Q., Liu, Y., He, M., … Yuan, Z. (2017). Feasibility of reusing the black liquor for enzymatic hydrolysis and ethanol fermentation. Bioresource Technology, 228, 235–240. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.12.076

Zhang, S., Keshwani, D. R., Xu, Y., & Hanna, M. A. (2012). Alkali combined extrusion pretreatment of corn stover to enhance enzyme saccharification. Industrial Crops and Products, 37(1), 352–357. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2011.12.001

Zheng, Y., Zhao, J., Xu, F., & Li, Y. (2014). Pretreatment of lignocellulosic biomass for enhanced biogas production. Progress in Energy and Combustion Science, 42(1), 35–53. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2014.01.001