A hidrólise é a primeira fase da biodigestão anaeróbia e tem grande importância nas usinas de biogás. A biodigestão anaeróbia é um processo biológico que ocorre na ausência de oxigênio e envolve a decomposição de matéria orgânica por micro-organismos para produzir biogás e um resíduo chamado de biofertilizante. Esse processo ocorre em quatro fases principais:
- Fase de hidrólise: Nesta fase, as moléculas grandes de matéria orgânica são quebradas em moléculas menores através da ação de enzimas produzidas por bactérias e outros micro-organismos. As moléculas menores são então convertidas em açúcares simples, aminoácidos e ácidos graxos.
- Fase de acidogênese: Nesta fase, as moléculas menores produzidas na fase de hidrólise são transformadas em ácidos orgânicos, principalmente ácido acético, ácido propiônico e ácido butírico, por bactérias acidogênicas.
- Fase de acetogênese: Nesta fase, os ácidos orgânicos produzidos na fase anterior são convertidos em ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono, principalmente por bactérias acetogênicas.
- Fase de metanogênese: Nesta fase, o hidrogênio e o dióxido de carbono produzidos na fase de acetogênese são convertidos em metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) por bactérias metanogênicas. O metano é o principal componente do biogás produzido na biodigestão anaeróbia.
Essas quatro fases ocorrem em sequência e são dependentes umas das outras. O sucesso da biodigestão anaeróbia depende da manutenção de condições adequadas para o crescimento dos micro-organismos em cada fase, como temperatura, pH, concentração de nutrientes e tempo de residência do material orgânico.
O que é Hidrólise?
A hidrólise é um processo químico que envolve a quebra de uma molécula em água, resultando na formação de dois ou mais compostos. Geralmente, a hidrólise ocorre quando uma substância reage com água e, em seguida, se divide em duas ou mais substâncias diferentes.
A hidrólise pode ser classificada em ácida e básica. Na hidrólise ácida, a água age como um ácido, doando um próton (íon hidrogênio) para a substância em questão, resultando na quebra da molécula. Na hidrólise básica, a água age como uma base, aceitando um próton da substância em questão e quebrando a molécula.
A hidrólise é um processo importante em muitas áreas da química, incluindo a bioquímica, onde é uma parte fundamental do metabolismo e da digestão de alimentos. Além disso, a hidrólise é usada em muitos processos industriais, como na produção de sabões e detergentes.
Existem muitos exemplos de hidrólise na natureza e na vida cotidiana. Um exemplo comum é a hidrólise do açúcar de mesa (sacarose) em água, que produz glicose e frutose. Outro exemplo é a hidrólise de proteínas em aminoácidos durante a digestão de alimentos.
Como acontece a hidrólise na biodigestão anaeróbia?
Durante a Hidrólise na Biodigestão Anaeróbia as bactérias hidrolíticas liberam enzimas extracelulares que degradam os compostos orgânicos complexos como os carboidratos, as proteínas, os lipídeos, entre outros em compostos orgânicos simples como açúcares, aminoácidos, peptídeos, glicerina e ácidos graxos os quais são transportados para dentro das células dos microorganismos (bactérias) e metabolizadas (OLIVEIRA, 2004).
Podemos dividir as bactérias hidrolíticas que mais se destacam em três categorias:
- Produtoras de lipase para degradação de lipídeos e ácidos graxos: Clostridium, Micrococcus e Staphylococcus
- Produtoras de proteases para degradação de proteínas e aminoácidos: Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Lactobacillus, Fusobacterium, Selenomonas, Streptococcus, Proteus, Peptococcus e Bacillus;
- Produtoras de amilases para degradação de polissacarídeos e açúcares menores: Clostridium, Staphylococcus, Eubacterium e Acetivibrio.
Diversos fatores influenciam o grau e a taxa em que um substrato é hidrolisado entre os quais podemos citar a composição e temperatura do substrato, o tamanho das partículas, a concentração de amônio, concentração de produtos da hidrólise (ex: ácidos orgânicos voláteis). (CHERNICHARO, 2007)
A degradação dos compostos orgânicos complexos
Além da degradação dos compostos orgânicos complexos, as bactérias hidrolíticas também contribuem com a formação de um ambiente anaeróbio, pois consomem uma quantidade de hidrogênio no processo de hidrogenação. (SAHM 1981; PAVLOSTATHIS UND GIRALDO-GOMEZ 1991).
A velocidade da hidrólise pode variar dependendo dos substratos e das condições do processo. Em geral, a hidrólise pode ser considerada uma etapa relativamente lenta, uma vez que envolve a quebra de moléculas orgânicas complexas em moléculas menores por meio de enzimas hidrolíticas produzidas por microrganismos.
A taxa de hidrólise pode ser limitada pela disponibilidade de enzimas e pela acessibilidade do substrato aos microrganismos. Por isso, muitas vezes a hidrólise é considerada a etapa limitante da biodigestão anaeróbia, especialmente em sistemas que recebem substratos com alta complexidade, como resíduos lignocelulósicos, que são mais difíceis de serem degradados.
No entanto, a velocidade da hidrólise pode ser acelerada com o uso de técnicas de pré-tratamento, como a trituração ou a autoclavagem, que promovem a ruptura da estrutura das células e tornam o substrato mais acessível às enzimas hidrolíticas. Além disso, a adição de fontes de micronutrientes e a manutenção das condições ideais de pH e temperatura podem aumentar a atividade enzimática e melhorar a velocidade da hidrólise.
Qual a importância da hidrólise na concepção de usinas de biogás?
A hidrólise é uma etapa crucial na concepção de usinas de biogás, pois é a primeira fase da biodigestão anaeróbia e tem um grande impacto na eficiência do processo como um todo. Durante a hidrólise, as moléculas orgânicas complexas são quebradas em moléculas menores, que são mais facilmente degradadas pelas bactérias em etapas posteriores do processo de biodigestão anaeróbia.
A eficiência da hidrólise pode afetar diretamente a produção de biogás e a qualidade do digestato (resíduo) produzido no processo. Se a hidrólise for inadequada ou lenta, pode resultar em baixa produção de biogás, prolongamento do tempo de retenção do substrato no reator, acúmulo de compostos intermediários tóxicos e redução da estabilidade do processo.
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Por isso, é importante que a hidrólise seja bem planejada e executada em usinas de biogás. O uso de tecnologias de pré-tratamento, como a trituração, a autoclavagem ou a hidrólise térmica, pode ajudar a aumentar a eficiência da hidrólise, tornando os substratos mais acessíveis às enzimas hidrolíticas. Além disso, é importante monitorar regularmente as condições do processo, como a temperatura, o pH e a carga orgânica, para garantir que sejam adequadas para o crescimento e atividade dos microrganismos responsáveis pela hidrólise.
Qual a maneira mais eficiente de fazer hidrólise?
A eficiência da hidrólise pode ser influenciada por diversos fatores, como o tipo de substrato, as condições do processo (temperatura, pH, micronutrientes, etc.) e o tipo de microrganismo presente no sistema. Portanto, não há uma maneira única e universalmente mais eficiente de fazer hidrólise, mas sim uma série de técnicas e estratégias que podem ser empregadas para melhorar a eficiência da hidrólise em diferentes situações.
Algumas técnicas comuns que podem ser utilizadas para melhorar a eficiência da hidrólise incluem:
- Pré-tratamento: O uso de técnicas de pré-tratamento, como trituração, autoclavagem ou hidrólise térmica, pode ajudar a aumentar a eficiência da hidrólise, tornando os substratos mais acessíveis às enzimas hidrolíticas.
- Controle de pH: O controle adequado do pH durante a hidrólise pode ajudar a otimizar a atividade das enzimas hidrolíticas e dos microrganismos envolvidos no processo.
- Adição de micronutrientes: A adição de micronutrientes, como ferro, manganês e cobalto, pode ajudar a melhorar a atividade dos microrganismos envolvidos na hidrólise.
- Uso de microrganismos específicos: Algumas espécies de microrganismos são mais eficientes na hidrólise de determinados substratos do que outras. O uso de microrganismos específicos pode ajudar a melhorar a eficiência da hidrólise em determinadas situações.
- Controle da temperatura: A temperatura é um fator importante na hidrólise, pois influencia a atividade das enzimas e dos microrganismos envolvidos no processo. O controle adequado da temperatura pode ajudar a otimizar a eficiência da hidrólise.
Em resumo, a maneira mais eficiente de fazer hidrólise pode variar dependendo do tipo de substrato, das condições do processo e dos objetivos específicos da aplicação. É importante avaliar cuidadosamente as condições do sistema e as opções disponíveis para escolher as técnicas mais adequadas para otimizar a hidrólise em cada caso.
Fontes e Referências:
- B. Machado 2016: Bezerra Machado, Gleysson; Geração e Aproveitamento Energético do Biogás, PROJETO PROBIOGÁS 2016
- MADIGAN et al., 1997: M.T. ; Martinko, J.M. ; Parker, J.: Brock Biology of Microorganisms. 8th Edition. Upper Saddle River, New Jersey : Prentice-Hall, 1997.
- SAHM 1981; H. Biologie der Methan-Bildung. In: Chemie Ing. Technik 53, (1981), Nr. 11, S. 854–863.
- PAVLOSTATHIS UND GIRALDO-GOMEZ 1991: Pavlostathis, S.G. ; Giraldo-Gomez, E.: Kinetics of Anaerobic Treatment: A Critical Review. In: CRC Crit. Rev. Environ. Control 21 (1991), Nr. 5–6, S. 411–490.
- CHERNICHARO, 2007: C.A de L., Reatores Anaeróbios, Princípio do Tratamento Biológico de aguas residuais, 2007.
- OLIVEIRA, 2004: P. A. V. de. Produção e aproveitamento do biogás. In: OLIVEIRA, P. A. V. de et al. Tecnologias para o manejo de resíduos na produção de suínos: Manual de boas práticas. Concórdia: Gestão Integrada de Ativos Ambientais, 2004. Cap. 4, p.42-55
