Universidade Federal de Campina Grande – UFCG Centro de Ciências e Tecnologias – CCT Unidade Acadêmica de Engenharia Química - UAEQ Universidade Federal.

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1 Universidade Federal de Campina Grande – UFCG Centro de Ciências e Tecnologias – CCT Unidade Acadêmica de Engenharia Química - UAEQ Universidade Federal de Campina Grande – UFCG Centro de Ciências e Tecnologias – CCT Unidade Acadêmica de Engenharia Química - UAEQ Energias Renováveis (Biogás) Prof. Nilton Silva Aula 2 – Fundamentos químico e bioquímico da biodigestão Anaeróbica

2 INTRODUÇÃO DIGESTÃO ANAERÓBICA MATÉRIA ORGÂNICA COMPLEXA ALCOOIS, ÁCIDOS CARBOXILICOS H2H2 CH 4 H2SH2S ÁCIDO ACÉTICO SULFATOS AMINOÁCIDOS CONTENDO SULFETOS HIDRÓLISE || ACIDOGÊNESE || ACETOGÊNESE || METANOGÊNESE

3 INTRODUÇÃO 2 2 Materiais orgânicos complexos Carboidratos Proteínas Lipídios Açúcares simples AGV Aminoácidos NH 3 Ac. Lático Ac. Butírico Ac. Valérico Ac. Propiônico H 2 +CO 2 LCFA A C. A C É T I C O H 2 +CO 2 CH 4 CO 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 I II III IV HIDRÓLISEACIDOGÊNESEACETOGÊNESE METANOGÊNESE

4 INTRODUÇÃO Aminoácidos, açúcares Metano, dióxido de carbono Sulfito de hidrogênio e dióxido de carbono Ácidos graxos de cadeias longa, Butirato, Propianato, etc Polímeros Complexos (Matéria Orgânica) Proteínas, Carboidratos e ácidos Graxos Hidrogênio, dióxido de carbono Hidrólise Acidogênese Redução sulfato Metanogênese Acetoclástica Hidroge- notrópica Ácidos graxos voláteis, álcoois Acetato

5 INTRODUÇÃO

6 Grupos microbianos envolvidos na DA - Bactérias fermentativas: responsáveis pela hidrólise e acetogênese Gêneros: Bacteroides, Eubacterium, Lactobacillus, Butyribio, Bifidobacterium; - Bactérias fermentativas: responsáveis pela hidrólise e acetogênese Gêneros: Bacteroides, Eubacterium, Lactobacillus, Butyribio, Bifidobacterium; Bacteroides Fragilis Eubacterium Butyribacterium Lactobacillus rhamnosus Bifidobacterium longum

7 Grupos microbianos envolvidos na DA - Bactérias fermentativas: responsáveis pela hidrólise e acetogênese Gêneros: Bacteroides, Eubacterium, Lactobacillus, Butyribio, Bifidobacterium; - Bactérias fermentativas: responsáveis pela hidrólise e acetogênese Gêneros: Bacteroides, Eubacterium, Lactobacillus, Butyribio, Bifidobacterium; BactériasEnzimasDegradação de:Formação de: Clostridium, Microcossus e Staphylococcus lipase Lipídeos e ácidos graxos Ácidos graxos e glicerol Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Lactobacillus, Fusobacterium, Selenomonas, Streptococcus, Proteus, Peptococcus e Bacillus protasses Proteínas e aminoácidos Aminoácidos, peptídeos Clotridium, Streptococcus, Eubacterium e Acetivibrio amilases Polissacarideos e açúcares menores Monosacarídeos. glicose

8 Grupos microbianos envolvidos na DA - Bactérias acetogênicas: grupo intermediário que produz substrato para as metanogênicas. Metabolizam os compostos da hidrólise e acidogênese; Clostridium glycolicum Hunger et al., 2014. é uma bactéria gram- positiva, haste central para a forma de esporo subterminal com flagelos uniformemente distribuídas em torno do corpo.

9 Grupos microbianos envolvidos na DA - Bactérias metanogênicas: bactérias anaeróbicas estritas, de necessidades nutricionais simples, que não necessitam de aminoácidos ou peptídeos. Gêneros: Methanobacterium, Methanospirillum, Methanobrevibacter, Methanosarcina e Methanotrix (methanosaeta). - Bactérias metanogênicas: bactérias anaeróbicas estritas, de necessidades nutricionais simples, que não necessitam de aminoácidos ou peptídeos. Gêneros: Methanobacterium, Methanospirillum, Methanobrevibacter, Methanosarcina e Methanotrix (methanosaeta). Obs.: A matéria a fermentar deve ter uma relação carbono/nitrogênio (C/N) compreendido entre 30 e 35. Acima deste valor, as bactérias não tem possibilidade de utilizar todo o carbono disponível; Abaixo deste valor, pode-se ter o aumento da quantidade de derivados de amônia e atingir limites da toxicidade. Obs.: A matéria a fermentar deve ter uma relação carbono/nitrogênio (C/N) compreendido entre 30 e 35. Acima deste valor, as bactérias não tem possibilidade de utilizar todo o carbono disponível; Abaixo deste valor, pode-se ter o aumento da quantidade de derivados de amônia e atingir limites da toxicidade. Gerardi, 2003.

10 Grupos microbianos envolvidos na DA Methanobrevibacter smithii National Research Council Canada, In Pena, S. 2007. Methanobacterium palustre Cheng et. al., 2009 Methanobacterium thermoautotrophicus Zeikus and Wolfe, 1972

11 Grupos microbianos envolvidos na DA Bactérias sulforedutoras: grupo versátil de organismos capazes de utilizar vários substratos. São anaeróbias estritas e podem ser divididas em dois grupos: – Grupo 1 - Oxidam seus substratos de forma incompleta até o acetato. Gêneros: Desulfobulbus, Desulfomonase a maioria das espécies dos gêneros Desulfotomaculume Desulfovibrio; – Grupo 2 - Oxidam seus substratos completamente até o gás carbônico. Gêneros: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium e Desulfonema. Bactérias sulforedutoras: grupo versátil de organismos capazes de utilizar vários substratos. São anaeróbias estritas e podem ser divididas em dois grupos: – Grupo 1 - Oxidam seus substratos de forma incompleta até o acetato. Gêneros: Desulfobulbus, Desulfomonase a maioria das espécies dos gêneros Desulfotomaculume Desulfovibrio; – Grupo 2 - Oxidam seus substratos completamente até o gás carbônico. Gêneros: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium e Desulfonema.

12 Relembrando: Diversidade das bactérias FONTE DE ENERGIA: – Luz: fazem fotossíntese (usam energia solar); – Compostos químicos: bactérias quimiotróficas; – Compostos inorgânicos: litotróficas; – Compostos orgânicos: organotróficas; FONTE DE CARBONO: – Autotróficas: usam apenas CO 2 ; – Heterotróficas: obtém seus átomos de carbono de moléculas orgânicas do ambiente (ex. açúcares); FONTE DE ENERGIA: – Luz: fazem fotossíntese (usam energia solar); – Compostos químicos: bactérias quimiotróficas; – Compostos inorgânicos: litotróficas; – Compostos orgânicos: organotróficas; FONTE DE CARBONO: – Autotróficas: usam apenas CO 2 ; – Heterotróficas: obtém seus átomos de carbono de moléculas orgânicas do ambiente (ex. açúcares);

13 Relembrando: Diversidade das bactérias RESPIRAÇÃO: – Aeróbicas obrigatórias (usam O 2 e não realizam fermentação); – Anaeróbicas obrigatórias restritas (respiração por fermentação, são mortas pelo O 2 ); – Anaeróbicas obrigatórias aerotolerantes (sobrevivem na presença de O 2 mas não se duplicam); – Anaeróbicas facultativas (tanto fermentam quanto respiram O 2 ); RESPIRAÇÃO: – Aeróbicas obrigatórias (usam O 2 e não realizam fermentação); – Anaeróbicas obrigatórias restritas (respiração por fermentação, são mortas pelo O 2 ); – Anaeróbicas obrigatórias aerotolerantes (sobrevivem na presença de O 2 mas não se duplicam); – Anaeróbicas facultativas (tanto fermentam quanto respiram O 2 );

14 Vantagens da Digestão anaeróbicas Produção de gás; Produção de fertilizantes; Controle da poluição; Redução de patógenos; Produz energia; Biodigestores anaeróbicos promovem a redução significativa do número de vírus, bactérias, fungos e vermes patogênicos. Produção de gás; Produção de fertilizantes; Controle da poluição; Redução de patógenos; Produz energia; Biodigestores anaeróbicos promovem a redução significativa do número de vírus, bactérias, fungos e vermes patogênicos.

15 Vantagens da Digestão anaeróbicas Redução relativa de coliformes fecais por mililitros em sistemas de digestão aeróbica e anaeróbica monitorados regularmente durante um ano: Digestão anaeróbica InfluenteEfluenteRedução % 3.9x10 4 1.1x10 4 88.4 Digestão aeróbica InfluenteEfluenteRedução % 4.86x10 4 1.23x10 4 75 Stanford et al, 1980.

16 Indicadores de sanitização Coliformes Totais Coliformes Fecais Indicadores Estreptococos fecais Contagem de placas heterotróficas (HPC) Bactéria anaeróbica Clostridium Bifidobacteria Fagos bacterianos Fagos somáticos FRNA phagos B. Fragilis phages Esporos Bacterianos Indicadores Químicos Bitton, 2005.

17 Indicadores de sanitização Bacilos gram-negativos, aeróbicos ou anaeróbios facultativos, não formadores de esporos, capazes de crescer na presença de sais biliares, fermentam a lactose com produção de aldeídos, ácido e gás a 35 °C em 24-48h. Coliformes Totais Indicadores Bitton, 2005. O grupo inclui os seguintes gêneros: Escherichia sp., Citrobacter sp., Enterobacter sp. e Klebisiela sp. Coliformes totais indicam poluição, associado ao risco da presença de organismos patogênicos. Estão presentes no trato intestinal, no solo, na água, etc. Indica falha no tratamento ou distribuição de água.

18 Indicadores de sanitização Coliformes Fecais Indicadores Bitton, 2005. Fecais ou termotolerantes, são capazes de se desenvolver e fermentar a lactose com produção de ácido e gás à temperatura de 44.5 °C em 24 h. O principal componente deste grupo é Escherichia coli, sendo que alguns coliformes do gênero Klebisiela também apresentam essa capacidade. Coliformes termotolerantes são indicadores de poluição fecal, pois estão presentes no trato intestinal de animais de sangue quente, sendo eliminadas em grandes números pelas fezes.

19 Indicadores de sanitização Coliformes Totais Coliformes Fecais Indicadores Estreptococos fecais Contagem de placas heterotróficas (HPC) Bactéria anaeróbica Clostridium Bifidobacteria Fagos bacterianos Fagos somáticos FRNA phagos B. Fragilis phages Esporos Bacterianos Indicadores Químicos Bitton, 2005

20 Atividades – 1° Estágio Técnicas de isolamento de microrganismos; – Bactérias Fermentativas (Viviane, Bruna); – Bactérias Acetogênicas (Germano,...); – Bactérias Metanogênicas (Willy, Marcílio). Indicadores de Sanitização: – Contagem de placas heterotróficas (HPC) (Deydeby); – Fagos bacterianos, fagos somáticos, FRNA phagos e B. Fragilis phages; – Esporos Bacterianos (Tiane); – Indicadores Químicos (Vitória, Eduardo); – Bactéria anaeróbica Clostridium Bifidobacteria (Nathalia). Técnicas de isolamento de microrganismos; – Bactérias Fermentativas (Viviane, Bruna); – Bactérias Acetogênicas (Germano,...); – Bactérias Metanogênicas (Willy, Marcílio). Indicadores de Sanitização: – Contagem de placas heterotróficas (HPC) (Deydeby); – Fagos bacterianos, fagos somáticos, FRNA phagos e B. Fragilis phages; – Esporos Bacterianos (Tiane); – Indicadores Químicos (Vitória, Eduardo); – Bactéria anaeróbica Clostridium Bifidobacteria (Nathalia).

21 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. 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.