A biodigestão da vinhaça na indústria sucroalcooleira brasileira

Oscar Daniel Valmaña García, egresso do Programa de Pós-Graduação em Energia da UFABC, pesquisou, durante o doutorado, os efeitos de antibióticos na biodigestão anaeróbia da vinhaça, no contexto da indústria sucroalcooleira brasileira. 

Seu principal objetivo foi avaliar a toxicidade metanogênica da monensina sódica e dos β-ácidos de lúpulo sobre bactérias acetogênicas sintróficas e arqueias metanogênicas, e seus efeitos inibitórios na biodigestão anaeróbia mesofílica e em batelada da vinhaça.

De acordo com o pesquisador, a vinhaça destaca-se como um dos resíduos mais importantes da produção de etanol, entretanto, uma parte significativa da energia da cana-de-açúcar é negligenciada por meio da fertirrigação, com prejuízos ambientais. Segundo ele, a biodigestão anaeróbia é uma alternativa que pode reduzir a carga poluente e recuperar a bioenergia em forma de biogás. A contaminação bacteriana durante a fermentação alcoólica e o uso de antibióticos para seu controle nas usinas, porém, são desafios para o setor e a comunidade científica – e uma das motivações desta pesquisa de doutorado.

Dentre os resultados obtidos, o egresso observou que o microbioma é menos sensível a β-ácidos de lúpulo do que à monensina, e que o primeiro pode substituir a última durante a fermentação alcoólica sem comprometer a viabilidade técnica do tratamento anaeróbio da vinhaça.

Além de doutor em Energia pela UFABC, Oscar é mestre em Energias Renováveis pela Universidade de Zaragoza (Espanha) e Engenheiro Químico pela Universidade Tecnológica de La Habana (Cuba). Atualmente, trabalha como pesquisador na Universidade Tecnológica ECOTEC e como pesquisador e assessor na Universidade Estatal de Bolívar (ambas no Equador).

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Dados | Egresso

Nome completo 
Oscar Daniel Valmaña García 

Formação acadêmica (cursos e instituições)
∙ Doutorado em Energia | Universidade Federal do ABC;
∙ Mestrado em Energias Renováveis | Universidade de Zaragoza (Espanha);
∙ Graduação em Engenharia Química | Universidade Tecnológica de La Habana "José Antonio Echeverría" (Cuba). 

Profissão / experiência profissional 
∙ Pesquisador associado do Centro de Estudios para el Desarrollo Sostenible, Universidade Tecnológica ECOTEC, Equador (desde 2021);
∙ Pesquisador e assessor da Dirección de Investigación y Vinculación, Vice-reitorado de Investigação y Vinculação, Universidade Estatal de Bolívar, Equador (desde 2021);
∙ Professor e pesquisador da Universidade de Guayaquil, Equador: Faculdade de Ciências Químicas (2021 a 2022); Faculdade de Engenharia Química (2015 a 2016) e Faculdade de Ciências Químicas (2014 a 2015);
∙ Engenheiro de projetos (2010 a 2011) e técnico de projetos e pesquisa (2008 a 2010) do Centro de Ingeniería e Investigaciones Químicas, Cuba; 
∙ Técnico de ensino e pesquisa do Centro de Investigaciones Marinas (2005 a 2008) e do Departamento de Bioquímica da Facultad de Biología (2003 a 2005) da Universidad de La Habana, Cuba. 

Programa de pós-graduação e curso (mestrado ou doutorado) concluído na UFABC
Doutorado em Energia


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Dados | Tese 

Título
Toxicidade metanogênica da monensina sódica e beta-ácidos de lúpulo e seus efeitos na biodigestão anaeróbia da vinhaça no contexto da indústria sucroalcooleira brasileira 

Data da defesa
5 de agosto de 2021 

Nome do orientador
Prof. Dr. Gilberto Martins 

Linhas de pesquisa
Uso eficiente da energia; cogeração; recuperação energética de resíduos sólidos; digestão anaeróbia. 

Link para a tese 

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Questões | Pesquisa 

Qual o tema da sua pesquisa e por que o escolheu? 
O tema da pesquisa foi o desempenho da biodigestão anaeróbia da vinhaça na presença de antibióticos de uso comum, na indústria sucroalcooleira brasileira. O que motivou a escolha desse tema foi o desejo de contribuir, cientificamente, com o esclarecimento de lacunas científicas no processo de biodigestão anaeróbia da vinhaça, para que essa tecnologia possa ser plenamente utilizada no contexto da economia circular na indústria sucroenergética brasileira. A biodigestão anaeróbia sobressai-se como uma alternativa que reduz a carga poluente, recupera a bioenergia em forma de biogás e recursos de alto valor agregado, e que se complementa com a fertirrigação do cultivo da cana-de-açúcar com a própria vinhaça. 

Quais eram seus objetivos (gerais e específicos)?
O objetivo geral da pesquisa foi avaliar a toxicidade metanogênica da monensina sódica e dos β-ácidos de lúpulo sobre bactérias acetogênicas sintróficas e arqueias metanogênicas, e seus efeitos inibitórios na biodigestão anaeróbia mesofílica e em batelada da vinhaça.
Para isso, foi necessário:
i) realizar a caracterização físico-química da vinhaça e do lodo anaeróbio utilizado na investigação, além do monitoramento da atividade metanogênica específica (AME) do consórcio microbiano presente no lodo;
ii) maximizar o potencial bioquímico de metano (PBM) da vinhaça por meio da otimização do pH, e a relação alimento/microrganismo mediante ensaios de potencial bioquímico de metano a 35° C e agitação contínua;
iii) determinar a concentração inibitória de 50% (IC50) da AME e os efeitos inibitórios (toxicidade metanogênica) associados à monensina sódica e aos β-ácidos de lúpulo sobre o consórcio microbiano anaeróbio, especificamente sobre bactérias acetogênicas sintróficas e arqueias metanogênicas;
iv) mensurar os efeitos inibitórios que a IC50 da AME para a monensina sódica e β-ácidos de lúpulo podem provocar na biodigestão anaeróbia da vinhaça a 35° C, em batelada, agitação contínua e utilizando valores otimizados de pH e relação alimento/microrganismo. 

Como foi sua realização (materiais e métodos, metodologia, corpus etc.)?
O trabalho de pesquisa foi dividido em quatro estágios, articulados e delimitados pelos objetivos específicos:
1) amostragem e caraterização físico-química da vinhaça coletada na Usina São Martinho, no município de Pradópolis, no Estado de São Paulo; e do lodo anaeróbio coletado no reator tipo UASB mesofílico do abatedouro de aves Ideal Ltda., no município de Pereiras, no Estado de São Paulo; de acordo com os Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA/AWWA/WEF, 2005);
2) maximização do potencial bioquímico de metano da vinhaça por meio da otimização dos fatores pH, concentração de alimentos e de microrganismos, aplicando técnica de delineamento experimental;
3) avaliação da toxicidade metanogênica da monensina sódica e de beta ácidos de lúpulo, por meio da concentração inibitória de 50% da atividade metanogênica específica e do emprego de ensaios de toxicidade metanogênica;
4) avaliação do efeito inibitório da concentração inibitória de 50% da monensina sódica e de beta ácidos de lúpulo no processo de biodigestão anaeróbia mesofílica da vinhaça, em batelada e em condições de pH e concentração de alimentos e microrganismos otimizadas, empregando ensaios de potencial bioquímico de metano. 

Quais foram os desafios enfrentados?
Os principais desafios enfrentados durante a pesquisa foram:
i) compreender e dominar as ferramentas de delineamento experimental com o intuito de otimizar a relação alimento-microrganismo, para assim maximizar a produção de metano e evitar o “sesgo” experimental;
ii) dominar a metodologia de trabalho com o sistema Automatic Methane Potential Test System II (AMPTS II) e adaptá-la para desenvolver ensaios de toxicidade metanogênica;
iii) aprender e dominar novos métodos analíticos standard para a análise de águas e águas residuais, além de técnicas de cromatografia gasosa e líquida. 

Quais foram os principais resultados alcançados?
Com um pH 7,00 e uma relação alimento-microrganismo entre 1,34 e 1,42, alcançou-se um máximo de 334 ± 8,9 NmLCH4/gDQO solúvel removida (95% do potencial de metano teórico), embora essas condições ótimas possam mudar com a origem e as características composicionais da vinhaça. A toxicidade metanogênica dos antibióticos e a decorrente perturbação do processo anaeróbio foram diretamente proporcionais às doses testadas. A concentração inibitória de 50% para β-ácidos de lúpulo foi estimada em 9 mg/L e, para a monensina, em 1,5 mg/L. Na biodigestão anaeróbia da vinhaça, dosada com ditas concentrações de antibióticos, apenas constatou-se a decomposição do substrato em etapas múltiplas, além da redução parcial e temporal da atividade metanogênica e da taxa de produção de metano. Após 30 dias foi verificada a recuperação da atividade metanogênica, da remoção de matéria orgânica e da produção de metano. Em consequência, o potencial de metano teórico e otimizado foi atingido com uma eficiência superior a 90%. As respostas do processo anaeróbio aos agentes tóxicos foram similares e não derivaram no colapso da biodigestão anaeróbia da vinhaça. Acredita-se que o microbioma é menos sensível a β-ácidos de lúpulo do que à monensina, e que o primeiro pode substituir o último durante a fermentação alcoólica sem comprometer a viabilidade técnica do tratamento anaeróbio da vinhaça. 

Descreva, resumidamente, a importância acadêmica e social de sua pesquisa, isto é, sua contribuição para o universo científico e o cotidiano das pessoas.
O aporte desta pesquisa para o universo acadêmico e científico foi contribuir para desvendar os efeitos que antibióticos, potencialmente presentes na vinhaça, podem causar em sua biodigestão anaeróbia. Em decorrência, forneceu resultados que despejam dúvidas sobre a viabilidade técnica das tecnologias de biodigestão anaeróbia aplicadas à indústria sucroalcooleira brasileira, em prol do desenvolvimento sustentável do setor e do país.