The Effect of Biomass Immobilization Support Material and Bed Porosity on Hydrogen Production in an Upflow Anaerobic Packed-Bed Bioreactor

Abstract

The aim of this study was to investigate the effect of the support material used for biomass attachment and bed porosity on the potential generation of hydrogen gas in an anaerobic bioreactor treating low-strength wastewater. For this purpose, an upflow anaerobic packed-bed (UAPB) reactor fed with sucrose-based synthetic wastewater was used. Three reactors with various support materials (expanded clay, vegetal coal, and low-density polyethylene) were operated for hydraulic retention time (HRT) of 0.5 and 2 h. Based on the results obtained, three further reactors were operated with low-density polyethylene as a material support using various bed porosities (91, 75, and 50 %) for an HRT of 0.5 h. The UAPB reactor was found to be a feasible technology for hydrogen production, reaching a maximum substrate-based hydrogen yield of 7 mol H₂ mol(-1) sucrose for an HRT of 0.5 h. The type of support material used did not affect hydrogen production or the microbial population inside the reactor. Increasing the bed porosity to 91 % provided a continuous and cyclic production of hydrogen, whereas the lower bed porosities resulted in a reduced time of hydrogen production due to biomass accumulation, which resulted in a decreasing working volume.

Hydrogen Production and Performance of Anaerobic Fixed-Bed Reactors Using Three Support Arrangements From Cassava Starch Wastewater

“…FERNANDES et al (2013) verified diminishing of the working volume in reactors with bed porosity between 50 and 75% due to the greater biomass accumulation among the interstices of the support material. However, beds with higher porosity (91%) caused the washing out of the excess of biomass from the system, collaborating with the maintenance of the void spaces.…”

“…Low-density polyethylene has been used successfully as support material in fixed-bed reactors applied to the production of hydrogen from different substrates: vinasse (FERRAZ et al, 2014), saccharose (FERNANDES et al, 2013), soft-drink (PEIXOTO et al, 2011).…”

Produção de hidrogênio em reatores anaeróbios termofílicos

“…Gavala ) com TDH de 6 h. 49 3. Revisão Bibliográfica Em relação aos reatores de leito empacotado, embora estudos em temperatura mesofílica tenham apresentado a viabilidade do uso desta configuração (Chang, Lee, & Lin, 2002), tem sido observada a queda na produção de H 2 após períodos que variam de 15 a 23 dias de operação (Fernandes et al, 2013;Lima, Moreira, & Zaiat, 2013;Penteado, Lazaro, Sakamoto, & Zaiat, 2013;Lima & Zaiat, 2012). A possível causa apontada seria a presença de microrganismos consumidores de H 2 e/ou mudança de rota metabólica da própria comunidade produtora de H 2 devido à diminuição do substrato disponível (relação substrato/microrganismos).…”

Biodigestão anaeróbia termofílica de vinhaça em sistemas combinados do tipo acidogênico-metanogênico para potencialização da recuperação de bioenergia em biorrefinarias de cana-de-açúcar de primeira geração

“…Baseando-se as rotas de conversão da matéria orgânica no processo anaeróbio completo (Figura 2, p.x), o acúmulo de H 2 no meio surge de um desequilíbrio entre as populações acidogênicas e metanogênicas no reator, propiciado pelo controle de diversos parâmetros operacionais: pH, TDH, relação carbono/nitrogênio (C/N), tipo de inóculo (cultura mista ou pura) e de pré-tratamento aplicado, condições de temperatura, tipo de material suporte (para o caso de reatores de leito fixo), tipo de configuração do reator, dentre outros (Antonopoulou et al, 2010;Fernandes et al, 2013;Penteado et al, 2013;Anzola-Rojas et al, 2015;Gomes S.D. et al, 2015).…”

“…A produção de H 2 ocorre principalmente a partir da fermentação de carboidratos, fato que pode explicar o grande número de trabalhos na literatura avaliando sistemas acidogênicos alimentados com efluentes sintéticos à base de sacarose e glicose (Leite et al, 2008;Shida et al, 2009;Infantes et al, 2011;Fontes Lima e Zaiat, 2012;Fernandes et al, 2013;Fontes Lima et al, 2013;Anzola-Rojas et al, 2015e 2016Gomes S;Braga et al, 2016). Há também um número crescente de estudos a partir de águas residuárias complexas, buscando-se definir as melhores condições e o potencial destas para recuperação de energia via BioH 2 .…”