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 efl uente 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 LN biogas/SV-1 kg) e uma efi ciência 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 efi ciência 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.
Resumo Inglês:
Biogas is an important renewable source of energy, which converts organic material into energy. Lignocellulosic biomass emerges as a strategy to increase biogas production through pre-treatments that provide organic matter to the anaerobic environment. Among the chemical pre-treatments available, the alkaline is the most used one because it presents the highest yield in biogas production. However, the effl uent (black liquor) it generates is an alkaline byproduct that, if disposed irregularly, can cause environmental problems. In this context, the objective of the present study is to present the methodology employed to evaluate the effect of alkaline pre-treatment with potassium hydroxide solution (KOH) applied to garden waste in the production of biogas and the reuse of black liquor as a new alkaline medium. The pre-treatment was divided into seven subsequent batches, with the fi rst batch consisting of a 5% KOH solution and dry and crushed substrate (garden pruning waste). For the other batch the black liquor from the liquid fraction of the separation process was reused. The Biochemical Methane Potential (BMP) tests were carried out with the fraction sifted in mesophilic conditions (35° C) for 25 days, following the German standard VDI 4630. The results showed that the second batch had the highest biogas production (620 LN biogas/VS-1 kg) and an effi ciency of 30% when compared to the non-pretreated substrate. A positive effect was also observed in the biogas yield after reusing the black liquor twice, presenting an average effi ciency of 20%. In this sense, this study demonstrates that the reuse of the remaining black liquor from pre-treatment with KOH is a viable and sustainable technique for pre-treatment of garden waste and contributes to the reduction of costs in real scale.
Resumo Espanhol:
El biogás es una importante fuente renovable de energía, que convierte el material orgánico en energía. La biomasa lignocelulósica surge como una estrategia para aumentar la producción de biogás a través de pretratamientos que proporcionan materia orgánica al ambiente anaeróbico. Entre los pretratamientos químicos disponibles, el alcalino es el más utilizado porque presenta el mayor rendimiento en la producción de biogás. Sin embargo, el efl uente (licor negro) que genera es un subproducto alcalino que, si se elimina de manera irregular, puede causar problemas ambientales. En este contexto, el objetivo del presente estudio es presentar la metodología empleada para evaluar el efecto del pretratamiento alcalino con solución de hidróxido de potasio (KOH) aplicado a los desechos del jardín en la producción de biogás y la reutilización del licor negro como un nuevo medio alcalino. El pretratamiento se dividió en siete lotes subsiguientes, y el primer lote consistió en una solución de KOH al 5% y sustrato seco y triturado (residuos de poda de jardín). Para los demás lotes, el licor negro de la fracción líquida del proceso de separación se reutilizó. Las pruebas de Potencial Bioquímico de Metano (PBM) se llevaron a cabo con la fracción tamizada en condiciones mesofílicas (35°C) durante 25 días, siguiendo la norma alemana VDI 4630. Los resultados mostraron que el segundo lote tenía la mayor producción de biogás (620 LN biogas/SV-1 kg) y una efi ciencia del 30% en comparación con el sustrato no pretratado. También se observó un efecto positivo en el rendimiento de biogás después de reutilizar el licor negro dos veces, presentando una efi ciencia promedio del 20%. En este sentido, este estudio demuestra que la reutilización del licor negro restante del pretratamiento con KOH es una técnica viable y sostenible para el pretratamiento de los desechos del jardín y contribuye a la reducción de costos a escala real.
Citação APA:
Bastos, J. A., Remor, P. V., Lofhagen, J., Hawkins, C., & Edwiges, T. (2019). 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. Revista de Gestão Ambiental e Sustentabilidade, 8(3), 554-567.
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. 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. 21 ed. 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-Noxide (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, n. 36, p. 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, n. 2011, p. 787-532. https://doi.org/10.4061/2011/787532
Chen, W. H.; Pen, B. L.; Yu, C. T.; Hwang, W. S. (2011). Pretreatment effi ciency 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.
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, Campina Grande, v. 14, n. 4, 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
Jiang, Y.; Heaven, S.; Banks, C.J. 2012. Strategies for stable anaerobic digestion of vegetable waste. Renewable Energy, n. 44, p. 206-214, 2014.
Liew, L. N.; Shi, J.; Li, Y. (2011). Enhancing the solidstate 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, n. 140, p. 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 L.F.R.; Bochmann G. Pretreatment of Feedstock for Enhanced Biogas Production. 2014. 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, n. 27, p. 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, n. 68, p. 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, v. 33, n. 7, pp.1549-1558. http://dx.doi.org/10.1590/S010040422010000700023.
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, n. 156, p. 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, n. 117, p. 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, n. 96, p. 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, n. 31, p. 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 saccharifi cation. 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
