Desempenho do sorgo BRS 716 como cultura energética para produção de biogás: monodigestão e codigestão com dejeto suíno

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Lazaroto, Ana Claudia
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Ponta Grossa
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36409
Resumo: Biogas, produced through the anaerobic digestion of organic substrates, emerges as a promising solution to meet the growing energy demand in a renewable and sustainable manner. The sources for biogas production are diverse, with a significant portion originating from residues such as swine manure. However, due to the increasing demand in recent years associated with productivity needs, the anaerobic digestion of energy crops has demonstrated several advantages. Among these, sorghum stands out as it does not compete for arable land with food crops, given its ability to thrive in low-fertility soils and its resistance to climatic adversities and water stress. The Brazilian sorghum cultivar BRS 716 is particularly noteworthy for its high fresh biomass yield, optimizing land use and reducing pressure on new agricultural areas. Nevertheless, literature reports indicate that this substrate is susceptible to inhibition due to the accumulation of volatile fatty acids (VFAs). Thus, this study aims to investigate the biogas production potential of sorghum in Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR), operated under both mono-digestion and co-digestion with swine manure. The reactors were inoculated identically, fed with the same sorghum sample, and operated at 37°C with an agitation regime of 60 rpm. The experiments were conducted by gradually increasing the organic loading rate (OLR) of sorghum, starting at 0.5 kgvs m-3·d-1 up to (include the maximum loading). The monitored parameters included pH, volumetric biogas production, gas composition (CH4 and CO2), the intermediate-to-partial alkalinity ratio (IA/PA), VFA concentration, and volatile solids (VS). The results indicate that sorghum mono-digestion remained stable up to an OLR of 2.5 kgvs m-3·d-1, with methane yield and productivity of 200.73 LNCH4 kgvs -1 and 0.50 LNCH4 L-1reactor d-1, respectively. However, when the OLR was increased to 3.0 kgvs m3 ·d-1, propionic acid accumulation occurred, raising the FOS/TAC to 1.56 gHAc.gCaCO3-1, which impaired system buffering and negatively impacted biogas and methane production. In co-digestion with swine manure, no inhibition due to VFA or ammonia accumulation was observed. This system demonstrated greater operational flexibility, operating at an OLR 2.5 times higher than mono-digestion, reaching 6.21 kgvs m-3·d-1, resulting in a methane productivity of 1.11 LNCH4 L-1reactor d-1 and a yield of 179.16 LNCH4 kgvs -1. Microbial analysis revealed differences between the systems, where Methanosaeta was more abundant in mono-digestion, whereas Methanosarcina predominated in co-digestion, indicating distinct microbial adaptations associated with the substrates. Therefore, it is concluded that the BRS 716 cultivar exhibits high potential for biogas production, particularly due to its high biomass yield, which translates into greater methane yields per planted area. Sorghum mono-digestion is viable up to an OLR of 2.5 kgvs m-3·d-1; however, co-digestion with swine manure stands out as it offers significant advantages for achieving higher OLRs and increased methane production.
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spelling Desempenho do sorgo BRS 716 como cultura energética para produção de biogás: monodigestão e codigestão com dejeto suínoPerformance of sorghum BRS 716 as an energy crop for biogas production: monodigestion and co-digestion with pig manureSorgoBiogásResíduos de animaisSuínosMetanoLigninaBiomassaSorghumBiogasAnimal wasteSwineMethaneLigninBiomassCNPQ::CIENCIAS BIOLOGICASBiotecnologiaBiogas, produced through the anaerobic digestion of organic substrates, emerges as a promising solution to meet the growing energy demand in a renewable and sustainable manner. The sources for biogas production are diverse, with a significant portion originating from residues such as swine manure. However, due to the increasing demand in recent years associated with productivity needs, the anaerobic digestion of energy crops has demonstrated several advantages. Among these, sorghum stands out as it does not compete for arable land with food crops, given its ability to thrive in low-fertility soils and its resistance to climatic adversities and water stress. The Brazilian sorghum cultivar BRS 716 is particularly noteworthy for its high fresh biomass yield, optimizing land use and reducing pressure on new agricultural areas. Nevertheless, literature reports indicate that this substrate is susceptible to inhibition due to the accumulation of volatile fatty acids (VFAs). Thus, this study aims to investigate the biogas production potential of sorghum in Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR), operated under both mono-digestion and co-digestion with swine manure. The reactors were inoculated identically, fed with the same sorghum sample, and operated at 37°C with an agitation regime of 60 rpm. The experiments were conducted by gradually increasing the organic loading rate (OLR) of sorghum, starting at 0.5 kgvs m-3·d-1 up to (include the maximum loading). The monitored parameters included pH, volumetric biogas production, gas composition (CH4 and CO2), the intermediate-to-partial alkalinity ratio (IA/PA), VFA concentration, and volatile solids (VS). The results indicate that sorghum mono-digestion remained stable up to an OLR of 2.5 kgvs m-3·d-1, with methane yield and productivity of 200.73 LNCH4 kgvs -1 and 0.50 LNCH4 L-1reactor d-1, respectively. However, when the OLR was increased to 3.0 kgvs m3 ·d-1, propionic acid accumulation occurred, raising the FOS/TAC to 1.56 gHAc.gCaCO3-1, which impaired system buffering and negatively impacted biogas and methane production. In co-digestion with swine manure, no inhibition due to VFA or ammonia accumulation was observed. This system demonstrated greater operational flexibility, operating at an OLR 2.5 times higher than mono-digestion, reaching 6.21 kgvs m-3·d-1, resulting in a methane productivity of 1.11 LNCH4 L-1reactor d-1 and a yield of 179.16 LNCH4 kgvs -1. Microbial analysis revealed differences between the systems, where Methanosaeta was more abundant in mono-digestion, whereas Methanosarcina predominated in co-digestion, indicating distinct microbial adaptations associated with the substrates. Therefore, it is concluded that the BRS 716 cultivar exhibits high potential for biogas production, particularly due to its high biomass yield, which translates into greater methane yields per planted area. Sorghum mono-digestion is viable up to an OLR of 2.5 kgvs m-3·d-1; however, co-digestion with swine manure stands out as it offers significant advantages for achieving higher OLRs and increased methane production.O biogás, produzido a partir da digestão anaeróbia de substratos orgânicos, emerge como solução promissora para suprir a demanda crescente por energia, de maneira renovável e sustentável. As fontes para produção de biogás são diversas, em sua maior parte oriunda de resíduos como dejeto suíno. No entanto, devido à elevada demanda dos últimos anos atrelada à produtividade, a digestão anaeróbia de culturas energéticas tem apresentado inúmeras vantagens. Dentre as culturas energéticas destaca-se o sorgo, que não compete por terras agricultáveis com as culturas alimentares, pois é capaz de desenvolver-se em solos de baixa fertilidade e apresenta resistência a intempéries climáticas e ao estresse hídrico. A cultivar brasileira de sorgo BRS 716 destaca-se por apresentar elevados rendimentos de matéria fresca, otimizando o uso do solo, e reduzindo a pressão sobre novas áreas agrícolas. Entretanto, para este substrato é relatado em literatura a inibição pelo acúmulo de ácidos graxos voláteis. Deste modo, o presente estudo visa investigar o potencial de produção de biogás do sorgo em reatores CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), operados em monodigestão e codigestão com dejeto suíno. Os reatores foram inoculados de forma idêntica, alimentados com a mesma amostra de sorgo, e operados a 37°C com regime de agitação de 60 rpm. Os experimentos foram conduzidos a partir de incrementos graduais na carga orgânica volumétrica (COV) do sorgo, iniciando em 0,5 kgsv m-3.d-1. Foram monitorados os parâmetros: pH, produção volumétrica de biogás, composição do gás (CH4 e CO2), relação alcalinidade intermediária e parcial (AI/AP), concentração de ácidos graxos voláteis (AGVs) e sólidos voláteis (SV). Os resultados apontam que a monodigestão do sorgo se mostrou estável até uma COV de 2,5 kgsv m-3 reator d-1, com rendimento e produtividade de metano de 200,73 LN CH4 kgsv -1, 0,50 LN metano. L-1 reator d-1 respectivamente. Entretanto, ao realizar a progressão para COV 3,0 kgsv m-3 reator d-1, houve acúmulo de ácido propiônico, que elevou a relação AI/AP para 1,56 gHAc.gCaCO3-1, comprometendo o tamponamento do sistema e afetando a produção de biogás e metano. Para a codigestão com dejeto suíno, não foram detectadas inibições por acúmulo de AGVs, tampouco por amônia. Esse sistema demonstrou maior flexibilidade operacional, operando com uma COV de 2,5 vezes superior em comparação à monodigestão, chegando a 6,21 kgsv m-3 reator d-1, resultando em uma produtividade de metano de 1,11 LNCH4 L-1 reator d-1 e rendimento de 179,16 LN CH4 kgsv -1. Observou-se que a microbiologia diferiu entre os sistemas, em que para a monodigestão, houve maior abundância de Methanosaeta, enquanto na codigestão predominou Methanosarcina, indicando diferenças na adaptação microbiana associadas aos substratos. Deste modo, conclui-se que a cultivar BRS 716 apresenta elevado potencial para produção de biogás, especialmente por sua elevada produção de biomassa o que impacta em maiores rendimentos de metano por área plantada. A monodigestão do sorgo torna-se viável até a COV de 2,5 kgsv m-3 reator d-1, entretanto, a codigestão com dejeto suíno destaca-se pois oferece vantagens significativas para o alcance de COVs maiores e maior produção de metano.Universidade Tecnológica Federal do ParanáPonta GrossaBrasilPrograma de Pós-Graduação em BiotecnologiaUTFPRPra, Marina Celant dehttps://orcid.org/0000-0002-7267-9644http://lattes.cnpq.br/2213588017689303Kunz, Airtonhttps://orcid.org/0000-0002-6818-6580http://lattes.cnpq.br/0003350901000829Kunz, Airtonhttps://orcid.org/0000-0002-6818-6580http://lattes.cnpq.br/0003350901000829Simeone, Maria Lúcia Ferreirahttps://orcid.org/0000-0002-2003-0341http://lattes.cnpq.br/3365739098963519Pra, Marina Celant dehttps://orcid.org/0000-0002-7267-9644http://lattes.cnpq.br/2213588017689303Edwiges, Thiagohttps://orcid.org/0000-0002-6691-8100http://lattes.cnpq.br/7643832070860943Lazaroto, Ana Claudia2025-04-07T16:55:27Z2025-04-07T16:55:27Z2025-02-21info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfLAZAROTO, Ana Claudia. Desempenho do sorgo BRS 716 como cultura energética para produção de biogás: monodigestão e codigestão com dejeto suíno. 2025. Dissertação (Mestrado em Biotecnologia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36409porAttribution 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-04-08T06:04:47Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/36409Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-04-08T06:04:47Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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description Biogas, produced through the anaerobic digestion of organic substrates, emerges as a promising solution to meet the growing energy demand in a renewable and sustainable manner. The sources for biogas production are diverse, with a significant portion originating from residues such as swine manure. However, due to the increasing demand in recent years associated with productivity needs, the anaerobic digestion of energy crops has demonstrated several advantages. Among these, sorghum stands out as it does not compete for arable land with food crops, given its ability to thrive in low-fertility soils and its resistance to climatic adversities and water stress. The Brazilian sorghum cultivar BRS 716 is particularly noteworthy for its high fresh biomass yield, optimizing land use and reducing pressure on new agricultural areas. Nevertheless, literature reports indicate that this substrate is susceptible to inhibition due to the accumulation of volatile fatty acids (VFAs). Thus, this study aims to investigate the biogas production potential of sorghum in Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR), operated under both mono-digestion and co-digestion with swine manure. The reactors were inoculated identically, fed with the same sorghum sample, and operated at 37°C with an agitation regime of 60 rpm. The experiments were conducted by gradually increasing the organic loading rate (OLR) of sorghum, starting at 0.5 kgvs m-3·d-1 up to (include the maximum loading). The monitored parameters included pH, volumetric biogas production, gas composition (CH4 and CO2), the intermediate-to-partial alkalinity ratio (IA/PA), VFA concentration, and volatile solids (VS). The results indicate that sorghum mono-digestion remained stable up to an OLR of 2.5 kgvs m-3·d-1, with methane yield and productivity of 200.73 LNCH4 kgvs -1 and 0.50 LNCH4 L-1reactor d-1, respectively. However, when the OLR was increased to 3.0 kgvs m3 ·d-1, propionic acid accumulation occurred, raising the FOS/TAC to 1.56 gHAc.gCaCO3-1, which impaired system buffering and negatively impacted biogas and methane production. In co-digestion with swine manure, no inhibition due to VFA or ammonia accumulation was observed. This system demonstrated greater operational flexibility, operating at an OLR 2.5 times higher than mono-digestion, reaching 6.21 kgvs m-3·d-1, resulting in a methane productivity of 1.11 LNCH4 L-1reactor d-1 and a yield of 179.16 LNCH4 kgvs -1. Microbial analysis revealed differences between the systems, where Methanosaeta was more abundant in mono-digestion, whereas Methanosarcina predominated in co-digestion, indicating distinct microbial adaptations associated with the substrates. Therefore, it is concluded that the BRS 716 cultivar exhibits high potential for biogas production, particularly due to its high biomass yield, which translates into greater methane yields per planted area. Sorghum mono-digestion is viable up to an OLR of 2.5 kgvs m-3·d-1; however, co-digestion with swine manure stands out as it offers significant advantages for achieving higher OLRs and increased methane production.
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