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Doctoral Thesis
Full name
Fiaz Ahmad
Knowledge Area
Date of Defense
São Carlos, 2017
Silva, Maria Bernadete Amâncio Varesche (President)
Cruz, Antonio José Gonçalves da
Maintinguer, Sandra Imaculada
Sivieri, Katia
Zaiat, Marcelo
Title in English
Methane production in response to sulfuric acid and hydrogen peroxide assisted hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse
Keywords in English
Microbial community
Abstract in English
The aim of this study was to optimize methane production by investigating hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse impregnated with acid (H2SO4) and alkaline H2O2 using substrate (g kg-1) -inoculum (g kg-1) ratio of 1:2. Batch reactors were realized under mesophilic conditions (37 °C). A central composite design (CCD) involving three factors; temperature (°C), time (min), and chemical compound concentration (H2O2 (%v/v) and H2SO4 (%w/v)) was utilized to optimize hydrothermal pretreatment. Thirty-two hydrothermal pretreatments were conducted according to CCD. H2O2 assisted hydrothermal pretreatment resulted in higher solid recovery (93.13%), higher percent glucan increase (139.52%), and lower lignin recovery (76.48%) in pretreated solid fraction in comparison to H2SO4 impregnated hydrothermal pretreatment. In the latter case, lower solid yield (12.27%), glucan recovery (187.01%) and higher lignin recovery (358.85%) was recorded. Higher COD solubilization (25.20 g L-1), lower total phenolic (content 658.13 ppm), higher sulfate (7240 mg L-1), furfural (925.77-2216.47 mg L-1) and 5-hydroxymehtylfurfural (70.95-970.08 mg L-1) were observed in liquid hydrolysate of H2SO4 assisted hydrothermal pretreatment. While lower COD solubilization (17.75 mg L-1), higher total phenolic content (3005.63 ppm), lower concentration of furfural (0-56.91 mg L-1) and 5-hydroxymethylfurfural (2.56-56.60 mg L-1) was recorded with H2O2 assisted hydrothermal pretreatment. Concerning methane production for H2O2 assisted conditions, 5.59 Nmmol g-1 TVS (2% H2O2) to 13.49 Nmmol g-1 TVS (6% H2O2) was recorded. However, pretreatment with 7.36% H2O2 resulted in 14.43 Nmmol g-1 TVS, which was 118.16% higher comparing to untreated sugarcane bagasse (6.60 Nmmol g-1 TVS). Methanogenic inhibition was recorded for most of the H2SO4.pretreated reactor (1 – 3 %w/v H2SO4). Minimum CH4 production observed was 0.58 Nmmol g-1 TVS in pretreatment O-HSO (2% w/v H2SO4). Acetic acid was the predominant volatile fatty acid observed in digestion process of H2O2 treated batch reactor however was not recorded in H2SO4 treated batch reactors. Microbial community analysis indicated the prevalence of unclassified AUTHM297, Clostridium, and Treponema related genera in H2O2 treated reactors. Genera related aromatic compound degradation were identified and abundant in H2SO4 treated reactors. Methanolinea, Methanobacterium, and Methanosaeta were abundant methanogens in both pretreatments. Hydrogen peroxide assisted hydrothermal pretreatment was verified as a better choice for methane production comparing to sulfuric acid assisted hydrothermal pretreatment primarily on account of higher lignin solubilization, higher glucan recovery, and lower furanic compounds production.
Title in Portuguese
Produção de metano em resposta ao pré-tratamento hidrotérmico com ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio do bagaço de cana-de-açúcar
Keywords in Portuguese
Comunidade microbiana
Abstract in Portuguese
O objetivo deste estudo foi otimizar a produção de metano investigando as condições do pré-tratamento hidrotérmico assistido do bagaço da cana de açúcar sob impregnação de ácido (H2SO4) e álcali (H2O2) utilizando-se a razão substrato (g kg-1) inóculo (g kg-1) de 1:2. Os reatores em batelada foram mantidos em condições mesofílicas (37 ºC). Para otimizar as condições de pré-tratamento hidrotérmico, o design de composto central rotacional (DCCR) foi realizado utilizando três fatores: temperatura (ºC), tempo (min) e concentração do composto químico (H2O2 (%v/v) e H2SO4 (% p/v)). Trinta e dois pré-tratamentos hidrotérmicos foram realizados de acordo com a concepção do DCCR. O pré-tratamento hidrotérmico assistido do bagaço, com H2O2 resultou em maior recuperação de sólidos (93,13%), elevado percentual de glicana (139,52%) e menor recuperação de lignina (76,48%) da fração sólida pré-tratada, se comparada aquele com H2SO4. Nesse último caso, observou-se menor rendimento de sólidos (12,27%) e glucanas (187,01%) e maior recuperação de lignina (358,85%). No líquido hidrolisado do pré-tratamento hidrotérmico assistido do bagaço com H2SO4 foi observada elevada solubilização de DQO (25,20 g L-1), menor teor de fenóis totais (658,13 mg L-1), elevado sulfato (7240 mg L-1), furfural (925,77 - 2216,47 mg L-1 e 5-hidroximetilfurfural (70,95 - 970,08 mg L-1). Enquanto, foi registrado menor solubilização de DQO (17,27 g L-1), maior teor de fenóis totais (3005,63 ppm), e menor concentração de furfural (0 - 56.91 mg L-1), 5-hidroximetilfurfural (2,56 - 50,60 mg L--1 com H2O2. Em relação ao a produção de metano nas condições com H2O2, observou-se 5.59 Nmmol g-1 STV (2%v/v H2O2) a 13.49 Nmmol g-1 STV (6%v/v H2O2). No tratamento com 7.36% de H2O2 observou-se 14,43 Nmmol g-1 STV que foi 118.16% maior se comparado com o bagaço não-tratado (6,60 Nmmol g-1 STV). Inibição metanogênica foi observada na maioria dos reatores pré-tratados com H2SO4 (1 – 3% p/v), e a produção mínima observada foi de 0.58 Nmmol g-1 TVS no pré-tratamento com 2% p/v de H2SO4. Ácido acético foi o principal ácido orgânico volátil observado somente no reatores por tratamento de H2O2. Por meio da A análise da comunidade microbiana, para o domínio Bacteria, foi observado prevalência dos gêneros AUTHM297, Clostridium e Treponema nos reatores cujo substrato foi pré-tratado com H2O2. Gêneros relacionados à degradação de compostos aromáticos foram identificados e estiveram em maior abundância nos reatores cujo substrato foi pré-tratado com H2SO4. Methanolinea, Methanobacterium, e Methanosaeta foram os microrganismos do domínio Archaea mais abundantes e identificados em ambos os pré-tratamentos. O pré-tratamento hidrotérmico assistido com H2O2 foi a melhor opção em relação ao H2SO4, devido a maior solubilização de lignina, maior recuperação de glucano e baixa produção de compostos furânicos.
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