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Universidade Federal de Campina Grande – UFCGCentro de Ciências e Tecnologias – CCT
Unidade Acadêmica de Engenharia Química - UAEQ
Energias Renováveis (Biogás)
Prof. Nilton Silva
Aula 3 – Fundamentos químico e bioquímico da biodigestão
Anaeróbica: Parte 2
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Diagrama das quatro fase de produção de biogás
Complexo poliméricos( proteínas, polissacarídeos, gorduras/óleos)
Monômeros e oligômeros quebrados(açúcares, aminoácidos, peptídeos)
Proprianato, Butirato, etc. (ácidos orgânicos voláteis)
H2 + CO2 Acetato
CH4 + CO2
Fase 1: Hidrólise
Fase 2: Acidogênese
Fase 3: Acetogênese
Fase 4: Metanogênese
Bactéria fermentativa
Bac
téri
a fe
rme
nta
tiva
Bac
téri
a fe
rme
nta
tiva
Bactéria fermentativa
Acetógenas(produção de H2)
Acetógenas(consumo de H2)
Acetolásticasmetanogênicas
Redução de CO2
metanogênicas
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Diagrama das quatro fase de produção de biogás
Complexo poliméricos( proteínas, polissacarídeos, gorduras/óleos)
Monômeros e oligômeros quebrados(açúcares, aminoácidos, peptídeos)
Fase 1: Hidrólise
Bactéria fermentativa
Ácidos e bases podem ser usados para acelerar a reação. A reação de hidrólise
como celulose, amido, açúcares simples e podem ser divididos por água e
enzimas.
Na digestão anaeróbica, as enzimas são EXOENZIMAS (celulossoma, protease,
etc.) de um número de bactérias, protozoários e fungos.
A hidrólise é uma
reação com água.
22 HMonomerosOHBiomassa
FONTES: PRODUTOS:
celulose, amido, açúcares, gorduras, óleos Mono-açúcares (glicose, xilose, etc), ácidos graxos
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Fase 1: Hidrólise (reação com água)
+
Maltose
Água
2Glicose
+
11 ROR
OHH
+
11 RHOOHR
+-
+
-
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Fase 1: Hidrólise (reação com água)
Triacilglicerol Água Glicerol+ Ácido graxo+
+
lipase
lipase
lipase
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Enzima Lipases
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Hidrólise enzimática
AÇUCARES:
610625106
glicose)( OHC
Sacarase
OHCsacarose
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Hidrólise enzimática
AÇUCARES:
61065106
glicose)( OHC
amilase
OHC n
amido
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Hidrólise enzimática
AÇUCARES:
61065106
glicose)( OHC
celulase
OHC n
celulose
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Hidrólise enzimática
Gorduras/Lipidios
)(LCFALongacadeiadeácidosglycerollipidio lipase
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Hidrólise enzimática
Proteinas
3' NHsVFAproteina protease
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Hidrólise enzimática
PROTEINAS
Proteases)ess(PeptidadProteinase:Enzimas
ácidosaminopeptidiosiospolipeptidProteina
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Hidrólise enzimática
PROTEINAS
Proteases)ess(PeptidadProteinase:Enzimas
ácidosaminopeptidiosiospolipeptidProteina
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Hidrólise enzimática
PROTEINAS
Proteases)ess(PeptidadProteinase:Enzimas
ácidosaminopeptidiosiospolipeptidProteina
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Acidogênese
Monômeros e oligômeros quebrados(açúcares, aminoácidos, peptídeos)
Proprianato, Butirato, etc. (ácidos orgânicos voláteis)
Fase 2: Acidogênese
Bactéria fermentativa
Durante acidogênese, monômeros solúveis são convertidos em compostos
orgânicos pequenos, tais como ácidos de cadeia curta (voláteis) (propiónico,
fórmico, láctico, butírico, ácidos sucínicos:
cetonas (glicerol, acetona), e álcoois (etanol, metanol):
OHCOOHCHCHHOHC 22326126 222
2236126 22 COOHCHCHOHC
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Acidogênese: açucares
• Liberação de prótons (H+) e redução de produtos (receptores
de prótons)
• Formação de H2 (catalisado por enzimas hidrogenase)
• Realizado por cerca de 1% de todas as bactérias facultativas
fermentativas
• Os produtos dependerão das circunstancias.
2332112212 88449 HHHCOCOOCHOHOHC
2332112212 88449 HHHCOCOOCHOHOHC
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Acidogênese: açucares
• Os produtos dependerão das circunstancias, ex:
• Fermentação da glicose em um sistema de duas etapas:
Mais redução de produtos como etanol, lactase, proprianato,
butirato, CO2 e H2,
2332112212 88449 HHHCOCOOCHOHOHC
2332112212 88449 HHHCOCOOCHOHOHC
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Acidogênese: açucares
• Os produtos dependerão das circunstancias, ex:
• Fermentação da glicose em um sistema de uma etapa:
Acetato, CO2 e H2,
• A produção de ácidos a pH =4 (inibição do produto)
2332112212 88449 HHHCOCOOCHOHOHC
2332112212 88449 HHHCOCOOCHOHOHC
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Acidogênese: acidificação
Capacidade
excedente
de metano
Pobre
capacidade
temporaria
Crescimento
dos VFA
Aumento
do pH Não
ionização
dos VFA
Aumento da
toxicidade
metanogênica
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Acidogênese: Proteinas
N ligado organicamente ( aminoácidos) é liberado como NH4+
(reação de oxi-redução)
33223
2433223
22:
23:
NHCOOCHHCOOCHNHCHGlicina
HNHHCOCOOCHOHCOOCHNHCHAlanina
)2(
233
34223
3432
HCONHCOOHNH
HCONHNHacetatoOHglicinaAlanina
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Reação de oxi-redução (Stickland)
Ramo oxidativo
Alanina Glicina
Ramo redutivo
42 ,, NHCOacetato42,2 NHacetato
ATPATP
e4
FosfatoRiboseAdenina
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Acidogênese: ácidos graxos de cadeia longa
A degradação anaeróbia do LCFA ocorre via -oxidação:
Ácido Palmítico:
Com número impares: acetato + proprianato são formados:
2321423 147814)( HHCOOCHOHCOOCHCH
COOCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH 22222222223
223321423 147714)( HHCOOCHCHCOOCHOHCOOCHCH
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Acetogênese
Monômeros e oligômeros quebrados(açúcares, aminoácidos, peptídeos)
Proprianato, Butirato, etc. (ácidos orgânicos voláteis)
H2 + CO2 AcetatoFase 3:
Acetogênese
Bac
téri
a fe
rme
nta
tiva
Bac
téri
a fe
rme
nta
tiva
Bactéria fermentativa
Acetógenas(produção de H2)
Acetógenas(consumo de H2)
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Acetogênese: formação de acetato
• Os produtos da etapa anterior são convertidos em: ácido
acético, CO2 e H2
• Principalmente do ácido proprionico, butírico e etanol:
• Necessita de associações sintrópica.
molkJGOHCHCOH
molkJGHHacetatoOHole
molkJGHHacetatoOHbutirato
molkJGHHHCOacetatoOHoproprianat
/9.1384
/6.9222tan
/1.48222
/1.7633
'
02422
'
022
'
022
'
0232
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Acetogênese: formação de acetato
• Impacto do pH2 na termodinâmica do sistema
∆G’(kJ/mol)
-100
-50
0
50
2 4 6 8
Reação
possível
Reação
impossível
altas pressões
de H2
Baixas pressões
de H2
pH2 = - log(H2)
ba
dc
BA
DCRTGG ln' '
0
232 33 HHHCOacetatoOHoproprianat
22 222 HHacetatoOHbutirato
OHCHCOH 24224
Nicho metanogênico
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Metanogênese
• Metanogênese acetoclástica (70%):
• Metanogênese hidronotrófica (30%):
H2 + CO2 Acetato
CH4 + CO2
Fase 4: Metanogênese
Acetoclásticasmetanogênicas
Redução de CO2
metanogênicas
4/5.320
243 CHmolkJGCOCHCOOHCH
4/4.1304 0
2422 CHmolkJGOHCHHCO
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Metanogênese: substratos
• Os mais importantes são: hidrogênio e o acetato
• Além disso: formiato, monóxido de carbono, metanol e metilamina.
5.32
0.744392)(2
0.744324
5.112234
5.185324
5.119234
4.13024
)/(
243
4242223
424233
2243
242
224
2422
0
4
COCHCOOHCH
NHCOCHOHNHCH
NHCOCHOHNHCH
OHCOCHOHCH
COCHOHCO
OHCOCHHCOOH
OHCHCOH
molkJG CH
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Máxima produção de biogas
Lipídeos Carboidratos Proteínas
Nm
³/k
g
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Produção de biogásProdução de metano
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Cadeia de biodigestão do esterco animal
Inorgânico Orgânico
Fosforados Nitrogenados Carbonados Sulfurados
Proteínas
Peptídeos
Aminoácidos
N, NH4
Lipídeos Carboidratos
Glicerol Açúcares
Álcoois
Fibras
Lignina celulose H2S
Sulfetos
Ácidos voláteis
H2O CH4 CO2
Inositiol,Fosfato,
fosfolipideos, ácidos
nucleicos, ATP
Fosfato inorgânico
Cu, P, K, Zn, Mn, Co, Ca,
Fe, H, Ou
Ácidos graxos
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Produção teórica de metano
OHCHCOButirato 242 507012030Propinato40Acetato130Glicose115
1:1130130 24 COCH
graxosácidosde
CHdeProdução 4
1:4,15070
||
24 COCH
1:6,14575
||||
24 COCH
24
24
33Glicose1
345345Glicose115
COCH
COCH
Resultados:
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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.