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Universidade Federal de Campina Grande – UFCGCentro de Ciências e Tecnologias – CCT

Unidade Acadêmica de Engenharia Química - UAEQ

Energias Renováveis (Biogás)

Prof. Nilton Silva

Aula 3 – Fundamentos químico e bioquímico da biodigestão

Anaeróbica: Parte 2

Diagrama das quatro fase de produção de biogás

Complexo poliméricos( proteínas, polissacarídeos, gorduras/óleos)

Monômeros e oligômeros quebrados(açúcares, aminoácidos, peptídeos)

Proprianato, Butirato, etc. (ácidos orgânicos voláteis)

H2 + CO2 Acetato

CH4 + CO2

Fase 1: Hidrólise

Fase 2: Acidogênese

Fase 3: Acetogênese

Fase 4: Metanogênese

Bactéria fermentativa

Bac

téri

a fe

rme

nta

tiva

Bac

téri

a fe

rme

nta

tiva


Acetógenas(produção de H2)

Acetógenas(consumo de H2)

Acetolásticasmetanogênicas

Redução de CO2

metanogênicas

Diagrama das quatro fase de produção de biogás

Complexo poliméricos( proteínas, polissacarídeos, gorduras/óleos)


Fase 1: Hidrólise


Ácidos e bases podem ser usados para acelerar a reação. A reação de hidrólise

como celulose, amido, açúcares simples e podem ser divididos por água e

enzimas.

Na digestão anaeróbica, as enzimas são EXOENZIMAS (celulossoma, protease,

etc.) de um número de bactérias, protozoários e fungos.

A hidrólise é uma

reação com água.

22 HMonomerosOHBiomassa

FONTES: PRODUTOS:

celulose, amido, açúcares, gorduras, óleos Mono-açúcares (glicose, xilose, etc), ácidos graxos

Fase 1: Hidrólise (reação com água)

+

Maltose

Água

2Glicose

+

11 ROR

OHH

+

11 RHOOHR

+-

+

-

Fase 1: Hidrólise (reação com água)

Triacilglicerol Água Glicerol+ Ácido graxo+

+

lipase

lipase

lipase

Enzima Lipases

Hidrólise enzimática

AÇUCARES:

610625106

glicose)( OHC

Sacarase

OHCsacarose


AÇUCARES:

61065106

glicose)( OHC

amilase

OHC n

amido


AÇUCARES:

61065106

glicose)( OHC

celulase

OHC n

celulose


Gorduras/Lipidios

)(LCFALongacadeiadeácidosglycerollipidio lipase


Proteinas

3' NHsVFAproteina protease


PROTEINAS

Proteases)ess(PeptidadProteinase:Enzimas

ácidosaminopeptidiosiospolipeptidProteina

Acidogênese



Fase 2: Acidogênese


Durante acidogênese, monômeros solúveis são convertidos em compostos

orgânicos pequenos, tais como ácidos de cadeia curta (voláteis) (propiónico,

fórmico, láctico, butírico, ácidos sucínicos:

cetonas (glicerol, acetona), e álcoois (etanol, metanol):

OHCOOHCHCHHOHC 22326126 222

2236126 22 COOHCHCHOHC

Acidogênese: açucares

• Liberação de prótons (H+) e redução de produtos (receptores

de prótons)

• Formação de H2 (catalisado por enzimas hidrogenase)

• Realizado por cerca de 1% de todas as bactérias facultativas

fermentativas

• Os produtos dependerão das circunstancias.

2332112212 88449 HHHCOCOOCHOHOHC



• Os produtos dependerão das circunstancias, ex:

• Fermentação da glicose em um sistema de duas etapas:

Mais redução de produtos como etanol, lactase, proprianato,

butirato, CO2 e H2,




• Os produtos dependerão das circunstancias, ex:

• Fermentação da glicose em um sistema de uma etapa:

Acetato, CO2 e H2,

• A produção de ácidos a pH =4 (inibição do produto)



Acidogênese: acidificação

Capacidade

excedente

de metano

Pobre

capacidade

temporaria

Crescimento

dos VFA

Aumento

do pH Não

ionização

dos VFA

Aumento da

toxicidade

metanogênica

Acidogênese: Proteinas

N ligado organicamente ( aminoácidos) é liberado como NH4+

(reação de oxi-redução)

33223

2433223

22:

23:

NHCOOCHHCOOCHNHCHGlicina

HNHHCOCOOCHOHCOOCHNHCHAlanina

)2(

233

34223

3432

HCONHCOOHNH

HCONHNHacetatoOHglicinaAlanina

Reação de oxi-redução (Stickland)

Ramo oxidativo

Alanina Glicina

Ramo redutivo

42 ,, NHCOacetato42,2 NHacetato

ATPATP

e4

FosfatoRiboseAdenina

Acidogênese: ácidos graxos de cadeia longa

A degradação anaeróbia do LCFA ocorre via -oxidação:

Ácido Palmítico:

Com número impares: acetato + proprianato são formados:

2321423 147814)( HHCOOCHOHCOOCHCH

COOCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH 22222222223

223321423 147714)( HHCOOCHCHCOOCHOHCOOCHCH

Acetogênese



H2 + CO2 AcetatoFase 3:

Acetogênese

Bac

téri

a fe

rme

nta

tiva

Bac

téri

a fe

rme

nta

tiva


Acetógenas(produção de H2)

Acetógenas(consumo de H2)

Acetogênese: formação de acetato

• Os produtos da etapa anterior são convertidos em: ácido

acético, CO2 e H2

• Principalmente do ácido proprionico, butírico e etanol:

• Necessita de associações sintrópica.

molkJGOHCHCOH

molkJGHHacetatoOHole

molkJGHHacetatoOHbutirato

molkJGHHHCOacetatoOHoproprianat

/9.1384

/6.9222tan

/1.48222

/1.7633

'

02422

'

022

'

022

'

0232

Acetogênese: formação de acetato

• Impacto do pH2 na termodinâmica do sistema

∆G’(kJ/mol)

-100

-50

0

50

2 4 6 8

Reação

possível

Reação

impossível

altas pressões

de H2

Baixas pressões

de H2

pH2 = - log(H2)

ba

dc

BA

DCRTGG ln' '

0

232 33 HHHCOacetatoOHoproprianat

22 222 HHacetatoOHbutirato

OHCHCOH 24224

Nicho metanogênico

Metanogênese

• Metanogênese acetoclástica (70%):

• Metanogênese hidronotrófica (30%):

H2 + CO2 Acetato

CH4 + CO2

Fase 4: Metanogênese

Acetoclásticasmetanogênicas

Redução de CO2

metanogênicas

4/5.320

243 CHmolkJGCOCHCOOHCH

4/4.1304 0

2422 CHmolkJGOHCHHCO

Metanogênese: substratos

• Os mais importantes são: hidrogênio e o acetato

• Além disso: formiato, monóxido de carbono, metanol e metilamina.

5.32

0.744392)(2

0.744324

5.112234

5.185324

5.119234

4.13024

)/(

243

4242223

424233

2243

242

224

2422

0

4

COCHCOOHCH

NHCOCHOHNHCH

NHCOCHOHNHCH

OHCOCHOHCH

COCHOHCO

OHCOCHHCOOH

OHCHCOH

molkJG CH

Máxima produção de biogas

Lipídeos Carboidratos Proteínas

Nm

³/k

g

1,40

1,20

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

Produção de biogásProdução de metano

Cadeia de biodigestão do esterco animal

Inorgânico Orgânico

Fosforados Nitrogenados Carbonados Sulfurados

Proteínas

Peptídeos

Aminoácidos

N, NH4

Lipídeos Carboidratos

Glicerol Açúcares

Álcoois

Fibras

Lignina celulose H2S

Sulfetos

Ácidos voláteis

H2O CH4 CO2

Inositiol,Fosfato,

fosfolipideos, ácidos

nucleicos, ATP

Fosfato inorgânico

Cu, P, K, Zn, Mn, Co, Ca,

Fe, H, Ou

Ácidos graxos

Produção teórica de metano

OHCHCOButirato 242 507012030Propinato40Acetato130Glicose115

1:1130130 24 COCH

graxosácidosde

CHdeProdução 4

1:4,15070

||

24 COCH

1:6,14575

||||

24 COCH

24

24

33Glicose1

345345Glicose115

COCH

COCH

Resultados:

Referências

• Bitton, G. Wastewater Microbiology. 3ed. John Wiley & Sons, Inc. 765p, 2005.

• Stafford, D. A., Hawkes, e Horton, R. Methane Production from Waste Organic

Matter. CRC Press, Inc. 285p, 1980.

• Gerardi, M. H. The Microbiology of Anaerobic Digesters. John Wiley & Sons, Inc.

188p. 2003.

• Hunger, Sindy, et al. "Trophic Links between the Acetogen Clostridium glycolicum

KHa and the Fermentative Anaerobe Bacteroides xylanolyticus KHb, Isolated from

Hawaiian Forest Soil." Applied and Environmental Biology 77.17 (2011): 6281-85.

Web. 21 Apr. 2014.

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