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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43573
ORCID: | http://orcid.org/0000-0001-8930-2694 |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Embargado |
Embargo Date: | 2026-08-23 |
Title: | Produção de hidrogênio por fotofermentação empregando diodos emissores de luz visível e infravermelha próxima |
Alternate title (s): | Hydrogen production by photofermentation using visible and near-infrared light-emitting diodes |
Author: | Bortoli, Larissa Desordi |
First Advisor: | Resende, Miriam Maria de |
First coorientator: | Cardoso, Vicelma Luiz |
First member of the Committee: | Batista, Fabiana Regina Xavier |
Second member of the Committee: | Ferreira, Juliana de Souza |
Third member of the Committee: | Lemos, Diego Andrade |
Fourth member of the Committee: | Amorim, Eduardo Lucena Cavalcante de |
Summary: | O biohidrogênio é considerado o combustível versátil do futuro, com a capacidade de substituir os combustíveis fósseis em diversos setores industriais e comerciais. Entre as várias opções disponíveis para a geração de biohidrogênio, a fotofermentação destaca-se como uma das abordagens mais atraentes devido à versatilidade no uso de matérias-primas, que incluem resíduos industriais e agrícolas, à economia de custos e aos baixos impactos ambientais. No entanto, uma utilização eficiente da luz na produção de hidrogênio fotofermentativo continua sendo o principal desafio para tornar esse processo biológico promissor uma tecnologia industrial viável. Neste estudo, foi avaliada a produção de biohidrogênio por fotofermentação com diodos emissores de luz (LEDs) em diferentes faixas do espectro eletromagnético (visível e infravermelho próximo), empregando as bactérias fotossintetizantes Rhodobacter capsulatus e Rhodospirillum rubrum. As fontes de carbono utilizadas foram glicose e glicerol de padrão analítico, ambas na concentração de 10 g/L. A iluminação no espectro visível foi fornecida por LEDs de luz branca fria e no espectro infravermelho próximo (NIR) por LEDs no comprimento de onda de 850 nm. Os ensaios foram conduzidos em reatores de 50 mL (escala reduzida) e em reator de tanque agitado de 1,5 L (escala ampliada). Em escala reduzida, o experimento com a bactéria PNS R. rubrum inoculada em meio contendo glicose como substrato e sob iluminação simultânea do Sistema LED – Luz branca fria e NIR, mostrou-se o mais promissor. Os valores máximos de produtividade e conversão obtidos foram de 39,67 mmol H2/L.dia e 9,46 mol H2/mol de glicose consumida, respectivamente. A produtividade aumentou em mais de 3000% quando comparada à iluminação fornecida exclusivamente pelo LED NIR. Além disso, a conversão obtida foi de alto rendimento, correspondente a aproximadamente 80% da conversão teórica máxima. Em comparação a glicose como substrato, os resultados obtidos quando o glicerol foi empregado apresentaram uma queda substancial. No entanto, a produção de biohidrogênio se demonstrou possível e, em particular, destacou-se quando conduzida com a cepa R. rubrum sob iluminação NIR. A produtividade máxima obtida foi de 5,71 ± 0,3 mmol H2/L.dia e a conversão de 3,14 ± 0,08 mol H2/mol de glicerol consumido. Em escala ampliada, foi avaliado o efeito da concentração celular inicial (1 e 0,5 g/L), replicando as condições de iluminação e substrato do ensaio que apresentou melhor desempenho em escala reduzida. Nesta configuração, a maior produção de hidrogênio foi promovida pela bactéria R. rubrum na concentração de 1 g/L, atingindo um valor máximo de produtividade de 78,36 mmol H2/L.dia. Com a concentração inicial de 0,5 g/L, as produtividades máximas obtidas foram de 4,17 e 31,8 mmol H2/L.dia para as bactérias R. rubrum e R. capsulatus, respectivamente. |
Abstract: | Biohydrogen is considered the versatile fuel of the future, with the potential to replace fossil fuels in several industrial and commercial sectors. Among the options available for biohydrogen generation, photofermentation is one of the most attractive approaches due to its versatility in using raw materials, including industrial and agricultural residues, cost-effectiveness, and low environmental impact. However, efficient use of light in photofermentative hydrogen production remains a significant challenge to make this promising biological process a viable industrial technology. In the current work, biohydrogen production was evaluated through photofermentation using light-emitting diodes (LEDs) in different ranges of the electromagnetic spectrum (visible and near-infrared), employing the photosynthetic bacteria Rhodobacter capsulatus and Rhodospirillum rubrum. The carbon sources used were glucose and glycerol of analytical grade, both at a concentration of 10 g/L. Illumination in the visible spectrum was provided by cold white LEDs and in the near-infrared spectrum (NIR) by LEDs at a wavelength of 850 nm. The experiments were conducted in 50 mL reactors (small-scale) and a 1.5 L stirred-tank reactor (large-scale). In the small-scale experiments, promising results were obtained with the photosynthetic bacterium R. rubrum inoculated in a medium containing glucose as a substrate and under simultaneous illumination of the LED system - cool white and NIR light. The maximum values for productivity and conversion were 39.67 mmol H2/L.d and 9.46 mol H2/mol of glucose consumed, respectively. Productivity increased by over 3,000% compared to the illumination provided exclusively by NIR LED. Furthermore, the obtained conversion was highly efficient, corresponding to approximately 80% of the theoretical maximum conversion. When glycerol was used as a substrate, there was a substantial drop in results. However, biohydrogen production proved feasible, particularly standing out when conducted with the R. rubrum strain under NIR illumination. The maximum productivity obtained was 5.71 ± 0,3 mmol H2/L.d, with a conversion of 3.14 ± 0,08 mol H2/mol of glycerol consumed. On an enlarged scale, the effect of the initial cell concentration (1 and 0.5 g/L) was evaluated, replicating the lighting and substrate conditions of the assay that showed the best performance on a reduced scale. In this configuration, the highest hydrogen production was promoted by the bacterium R. rubrum at a concentration of 1 g/L, reaching a maximum productivity value of 78.36 mmol H₂/L.d. With an initial concentration of 0.5 g/L, the maximum productivities obtained were 4.17 and 31.8 mmol H₂/L.d for the bacteria R. rubrum and R. capsulatus, respectively. |
Keywords: | Biohidrogênio Biohydrogen Fotofermentação Photofermentation Rhodobacter capsulatus Rhodospirillum rubrum LEDs Infravermelho próximo Near-Infrared Glicerol Glycerol |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Subject: | Engenharia química |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | BORTOLI, Larissa Desordi. Produção de hidrogênio por fotofermentação empregando diodos emissores de luz visível e infravermelha próxima. 2024. 102 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.610. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.610 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43573 |
Date of defense: | 23-Aug-2024 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos. ODS::ODS 13. Ação contra a mudança global do clima - Tomar medidas urgentes para combater a mudança climática e seus impactos. |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Química |
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