Anaerobic digestion process for agro-industrial wastes valorization: experimental and theoretical biochemical methane potential prediction.

Abstract

Among all environmental problems faced nowadays, climate change is undoubtedly the most imminent. Biofuels such as biogas may have a major role in the replacement of fossil fuels. Biogas is the main product of anaerobic digestion (AD) and can be used for producing energy in an efficient and eco-friendly way. The main objective of this work is the study of the AD process to assess the potential valorization of agro-industrial wastes through experimental and theoretical biochemical methane potential (BMP) prediction. In a first phase, 40 scientific papers were analyzed and was possible to obtain the BMP for 149 substrates. Then, an exhaustive analysis of these data was carried out through simple linear and multivariate polynomial regressions. Moreover, experimental tests of BMP and AD batch tests were used to evaluate the methane production of three substrates, namely winery wastewater (WW), tomato waste (TW) and banana peel waste (BW). Substrate-inoculum (S/I) ratios were optimized for WW and then applied to other substrates. Through the explorative analysis of the literature data, it was possible to verify that the BMP is a very complex parameter, making its prediction very hard. In fact, the methods for predicting this parameter referred in several papers are unsatisfactory since large differences are found between the predicted and the experimental BMP values. With the multivariate polynomial regressions performed in this study, it was possible to develop two models that present great potential for BMP prediction. From experimental tests, it was possible to verify that TW is the substrate with the highest potential for AD, followed by BW and lastly, with a lower potential, WW. The batch AD of WW revealed that the optimal S/I ratio is 0.5, which is in accordance with the literature. By using this S/I ratio it was possible to obtain 358.6 NmL gVS-1 of biogas for WW, 453.4 NmL gVS-1 for TW and 574.1 NmL gVS-1 for BW.This study demonstrated that BMP plays a fundamental role in the evaluation of a substrate potential for AD. It was possible to conclude that this parameter may be assessed in a simpler and faster way by theoretical models when compared to the experimental laborious methodologies. It was also possible to show that the substrates explored in this study can be valorized through an AD process.

De entre todos os problemas ambientais enfrentados hoje em dia, as alterações climáticas são, sem dúvida, as mais preocupantes. Os biocombustíveis, como o biogás, começam a ter um papel importante na substituição dos combustíveis fósseis. Este gás é o principal produto da digestão anaeróbia (AD) e pode ser usado para produzir energia de forma eficiente e ecológica. Existem diversos tipos de substratos orgânicos biodegradáveis que podem ser utilizados como substrato para na AD. Portanto, é de grande importância avaliar a biodegradabilidade e o potencial bioquímico de metano (BMP) destes.Este trabalho tem como principal objetivo o estudo do processo de AD, a fim de avaliar a possibilidade de valorização de resíduos agroindustriais. Através da análise de 40 artigos científicos, foi possível obter o BMP para 149 substratos diferentes. Após esta coleta foi realizada uma análise exaustiva desses dados através de regressões lineares simples e regressões polinomiais multivariadas. Foram realizados testes experimentais de BMP e de AD para avaliar o potencial de produção de metano de três substratos, nomeadamente de um efluente vinícola (WW), resíduo de tomate (TW) e resíduo de cascas de banana (BW). A razão substrato-inoculo (S/I) foi otimizada através da digestão do substrato WW, sendo depois aplicada aos restantes.Através da análise exploratória dos dados da literatura, foi possível verificar se o BMP é um parâmetro bastante complexo, fazendo com que a sua previsão seja difícil. Daí, os métodos para prever esse parâmetro referidos na literatura serem insatisfatórios. Através das regressões polinomiais multivariadas realizadas neste estudo foi possível desenvolver dois modelos que apresentam grande potencial no que toca à previsão do BMP. A partir dos testes experimentais BMP, foi possível verificar que o TW é o substrato com o maior potencial de AD, seguido do BW e, por último, com menor potencial, o WW. A AD do WW revelou que a razão S/I ideal, dentro dos valores testados, é de 0.5. Através desta razão S/I, foi possível obter 358.6 NmL gVS-1 de biogás para WW, 453.4 NmL gVS-1 para TW e 574.1 NmL gVS-1 para o BW.Este estudo demonstrou que o BMP desempenha um papel fundamental na avaliação do potencial de um substrato para AD e que é possível prever este parâmetro de forma mais simples e rápida em comparação com o procedimento experimental. Foi possível também mostrar que os substratos explorados neste estudo podem ser valorizados através de um processo AD.