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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2018.tde-23052020-183650
Document
Author
Full name
Dario Naranjo Fernandez
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Pires, Eduardo Cleto (President)
Assaf, José Mansur
Azevedo, Eduardo Bessa
Kwong, Wu Hong
Zaiat, Marcelo
Title in Portuguese
Análise biotermodinâmica dos processos anaeróbios e fotossintéticos de recuperação de energia
Keywords in Portuguese
digestão anaeróbia
eficiência energética
fotossíntese anoxigênica
fotossíntese oxigênica
modelo biotermodinâmico
recuperação de energia
Abstract in Portuguese
A digestão anaeróbia e as fotossínteses oxigênica e anoxigênica são processos usados para a recuperação e produção de energia. Nestes processos, a aplicação de modelos biotermodinâmicos permitiria analisar o comportamento e estimar rendimentos celulares e eficiências energéticas. Porém, realizar cálculos termodinâmicos de maior exatidão para reduzir os erros porcentuais nos processos anaeróbios, e incorporar a energia dos fótons nos balanços dos processos fotossintéticos, dificulta a aplicação dos modelos biotermodinâmicos nestes processos. A partir deste problema, esta pesquisa visa desenvolver um modelo biotermodinâmico dos processos anaeróbios e fotossintéticos de recuperação de energia com produção de metano e hidrogênio. O modelo está baseado em modelos biotermodinâmicos que usam semi-reações e se incorporam as influências de variáveis físico-químicas (i.e. temperatura e pH) em condições diferentes da padrão, assim como aos fótons e sua energia nas semi-reações fotossintéticas. Os resultados permitem estabelecer, por exemplo, que a digestão anaeróbia separada (fermentação e metanogênese) atinge uma eficiência entre 10 e 12% maior na recuperação de energia que a digestão anaeróbia completa, e que a produção de hidrogênio é mais eficiente com cianobactérias e bactérias anoxigênicas por meio da nitrogenase, que com microalgas por meio da hidrogenase. Assim, a aplicação do modelo biotermodinâmico permitiu avaliar as condições de espontaneidade das reações biológicas e estimar rendimentos e eficiências para a análise dos processos anaeróbios e fotossintéticos de recuperação de energia.
Title in English
Biothermodynamic analysis of the anaerobic and photosynthetic processes of energy recovery
Keywords in English
anaerobic digestion
anoxigenic photosynthesis
biothermodynamic model
energy efficiency
energy recovery
oxygenic photosynthesis
Abstract in English
The anaerobic digestion and the oxigenic and anoxigenic photosynthesis are processes for energy production and recovery. For these processes, the application of biothermodynamic models would allow to analyse their dynamic and estimate the cell yields and the energetic efficiencies. However, the application of these models is hindered by the complexity in including both precise thermodynamic calculations in anaerobic processes and the photon energy in balances for photosynthetic processes. Inside this framework, a biothermodynamic model of anaerobic and photosynthetic processes of energy recovery with methane and hydrogen production is developed in this work. The model is based on biothermodynamic models that use half-reactions and incorporate the effect of physicochemical parameters (i.e. temperature and pH) different to the standard conditions, together with the photons and their energy on photosynthetic half-reactions. Results indicate that separated anaerobic digestion (fermentation and methanogenesis) reaches efficiencies between 10 to 12% higher in energy recovery than the complete anaerobic digestion, and the hydrogen production is more efficient on cyanobacteria and anoxigenic bacteria, through nitrogenase, than on microalgae, through hydrogenase. Thus, the use of biothermodynamic model allowed to evaluate the spontaneity conditions of biological reactions and to estimate yields and efficiency for analyse of anaerobic and photosynthetic processes for energy recovery.
 
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Publishing Date
2020-05-29
 
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