Production of biohydrogen from dark fermentation of organic wastes

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Nowadays hydrogen is a promising alternative to fossil fuels mainly due to its high conversion, recyclability and nonpolluting nature. Several researchers study other sources of fuel, including the use of hydrogen as energy source. The utilization of biological process, such as Dark fermentation is one of the possibilities for the hydrogen production. This process is considered one of the most promising, sustainable and environmentally friendly. Currently, energy storage has become an extremely important issue. So the search for new hydrogen-storage methods has become an important aspect in hydrogen energy applications. Zeolites is one of the most promising material for hydrogen storage. Preliminary studies using zeolites for biohydrogen dark fermentation in batch mode, revealed an improvement on the biohydrogen production. Three different ratios zeolites/biomass, 0.26, 0.13 and 0.065 g g-1 (VS), were tested. The batch assays were performed with two different medium (complex and a simple medium) and with arabinose and glucose as substrate. In both cases the increase on cumulative hydrogen production in the presence of 0.26 g zeolite g-1 (VS) biomass was significantly higher than the obtained for the control (without zeolites). A maximum hydrogen production of 1.27 mmol and 0.87 mmol was achieved for the fermentation with a complex and simple medium, respectively. Lactate, acetate and formic acid were the only soluble fermentation products (SFP) formed during dark fermentation process. The improvement of hydrogen production by zeolites was also observed in batch mode with the marine biomass, Sargassum sp., as substrate. In this case a maximum hydrogen production of 0.62 mmol was achieved in the presence of 0.13 g zeolite g-1 (VS) biomass. Due the use of a complex substrate many soluble fermentation products were formed during Sargassum sp. dark fermentation. However acetate and lactate were the most prevalent of SFP. The effect of zeolites in continuous mode, performed with glucose and arabinose as substrate (RA + G) and with only glucose (RG), was also studied. The presence of zeolites (0.26 g zeolite g-1 (VS) biomass) improve the hydrogen production rate in the two operations, reaching a maximum of 430 mL H2 L-1 d-1 and 250 mL H2 L-1 d-1, respectively. The largest amount of soluble microbial products produced for the two operations was for lactic acid. The acetate, formic acid, propionic acid and n-butyric acid formation was also observed.

Atualmente, o hidrogénio é uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis devido á sua elevada conversão, reciclabilidade e natureza não poluente. Vários investigadores estudam outras fontes de combustível, inclusive o uso de hidrogénio como fonte de energia. A utilização de processos biológicos como a dark fermentation para a produção de hidrogénio é uma das possibilidades. Este processo é considerado um dos processos mais promissores, sustentável e “amigo” do ambiente. O armazenamento de energia é, atualmente, um assunto de extrema importância. A procura por novos métodos para o armazenamento de hidrogénio é um importante aspeto para as suas aplicações energéticas. Os zeólitos são um dos materiais mais promissores para o armazenamento deste gás. Estudos preliminares sobre a produção de hidrogénio por dark fermentation na presença de zeólitos revelaram um aumento significativo na produção deste. Nesta dissertação, foram testadas três razões diferentes de zeólitos/biomassa, 0.26, 0.13 e 0.065 g g-1 (VS). Foram realizados ensaios em modo batch com dois meios diferentes (meio complexo e simples) e com arabinose e glucose como substrato. Em ambos os casos, o aumento na produção de hidrogénio na presença de 0.26 g zeólito g-1 (VS) biomassa foi significativamente superior do que o obtido para o controlo (sem zeólito). A produção de hidrogénio máxima obtida para as fermentações em meio complexo e simples foram respetivamente 1.27 mmol e 0.87 mmol. Nestes ensaios, o lactato, acetato e o ácido fórmico foram os únicos produtos solúveis de fermentação (PSF) formados durante o processo dark fermentation. O aumento na produção de hidrogénio pelos zeólitos foi também observado em modo batch com o Sargassum sp., como substrato. Neste caso foi atingida uma produção máxima de hidrogénio de 0.62 mmol para a razão de 0.13 g zeólito g-1 (VS) biomassa. Vários produtos solúveis de fermentação foram produzidos neste ensaio, uma vez que foi utilizado uma biomassa marinha que é um substrato bastante complexo. Contudo, o acetato e o lactato foram os PSF predominantes. O efeito dos zeólitos em contínuo foi também testado. Nesta fase, duas operações foram realizadas uma com arabinose e glucose como substrato (RA + G) e outra com glucose (RG). A presença de 0.26 g zeólito g-1 (VS) biomassa no bioreator melhorou a taxa de produção de hidrogénio, observandose um máximo de 430 mL H2 L-1 d-1 e 250 mL H2 L-1 d-1, respetivamente. O lactato foi o produto solúvel de fermentação predominante, no entanto a formação de outros ácidos foi também observada.