Bioconversion of Cellulose Into Hydrogen, Biogas and Organic Acids Using Microbial Consortium From a Pulp and Paper Mill Wastewater Treatment Plant

Abstract

This study evaluated the potential of a microbial consortium collected from a pulp and paper mill wastewater treatment plant (WWTP) for converting cellulose to hydrogen, biogas and organic acids. Fermentation tests were conducted in batch reactors fed with different concentrations of cellulose as substrate: (C1) . The parameters investigated were hydrogen, biogas, organic acids, carbohydrates and pH. The maximum hydrogen production was 14.77, 39.25 and 22.53 mmol L -1 , and the maximum methane was 4.40, 3.72 and 9.56 mmol L -1 , for C1, C2 and C3, respectively. Butyric acid was the main metabolite generated, with maximum concentrations of 2.2, 1.8 and 2.2 g L -1 for C1, C2 and C3, respectively. The decrease in hydrogen production was accompanied by the production of methane, acetic acid and hydrogen sulfide in the three tests, probably related to hydrogenotrophic methanogenesis, homoacetogenesis and sulfidogenesis, respectively. The phylogenetic characterization of the bacterial community was performed by cloning and sequencing analysis. The microorganisms identified in the consortium were similar (> 95%) to Clostridium sp., Klebsiella sp., Routella sp. and Desulfovibrio sp. These genera were associated with hydrogen production, degradation of cellulosic substrates, and/or hydrogen-consuming microorganisms.

Energy efficiency challenges in pulp and paper manufacturing: A tutorial review

“…Basic anaerobic processes are understood to involve synergistic work of two populations of microbes, together with the enzymes that they release (Rao et al 2010;Silva Rabelo et al 2018). These include the saprophytic bacteria, which form acids, and the methane-forming bacteria.…”

Caracterização taxônomica e funcional da comunidade microbiana envolvida na obtenção de biogás e outros compostos de interesse biotecnológico a partir de resíduos do processamento de citros/laranja

“…Os autores obtiveram concentração máxima de 17,7 mmol H2.L -1 , além de ácido acético (50,44 mg.L -1 ), ácido butírico (209,71 mg.L -1 ), etanol (38,4 mg.L -1 ) e metano (6,27 mmol CH4.L -1 ). Rabelo et al (2018b) avaliaram diferentes concentrações de bagaço de cana-deaçúcar (0,8 a 9,2 g.L -1 ) como substrato e pH inicial do meio reacional (4,6 a 7,4 g.L -1 ) a fim de otimizar a obtenção de H2. A partir do método estatístico de Delineamento Composto Central, os autores obtiveram 19,84 mmol H2.L -1 nas condições otimizadas, de pH inicial 7,2 e 7 g.L -1 de substrato (bagaço de cana-de-açúcar).…”

“…A utilização de resíduos sólidos aplicada à obtenção de H2, CH4 e demais compostos orgânicos com potencial biotecnológico, como AOV e álcoois, vem sendo estudada pelo Grupo de Pesquisa em Processos Anaeróbios do LPB da EESC-USP, bem como os principais microrganismos associados à digestão anaeróbia destes resíduos (Tabela 3.4), sendo possível observar a ubiquidade dos clostrídeos. Entre os diversos resíduos sólidos estudados, destaca-se o bagaço de cana-de-açúcar (AHMAD et al, 2018;BRAGA et al, 2018;RABELO et al, 2018b;SOARES et al, 2020), banana (MAZARELI et al, 2020), e resíduos do processamento de café (VILLA MONTOYA et al, 2019).…”

“…A redução da abundância relativa de Clostridium, Anaerobacterium e Ruminiclostridium, no ensaio contendo resíduo sólido de citros pré-tratado pode ter contribuído para a menor obtenção de H2 e AOV a partir deste resíduo (Figura 5.16), uma vez que todos os gêneros citados são conhecidamente produtores de HAc e HBu e, ainda, produtores de H2 em processos anaeróbios (VOS et al, 2009;KRIEG et al, 2010;KANOKSILAPATHAM et al, 2015;RABELO et al, 2018b).…”

Digestão anaeróbia das águas residuárias da produção de café solúvel

“…Villa-Montoya et al ( 2019) observou maior abundância relativa de Clostridium em pH acima de 7,0 e temperatura mesofílica (30 °C) em resíduos de processamento de café. Resultados semelhantes foram observados por Rabelo et al (2018), visto que Clostridium foi o gênero mais abundante em reatores anaeróbios aplicados à fermentação mesofílica do bagaço de cana de açúcar. Segundo os autores, a dominância de Clostridium sugere que essas bactérias possuem papel importante na bioconversão eficiente do substrato em biorreatores anaeróbios.…”