Published April 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Methane production from sugarcane vinasse: The alkalinizing potential of fermentative-sulfidogenic processes in two-stage anaerobic digestion

Creators

  • 1. Universidade de São Paulo
  • 2. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)

Description

The two-stage anaerobic digestion (2st-AD) of sugarcane vinasse is widely studied and well-known for improving the energy recovery potential in sugarcane biorefineries. Maintaining enhanced substrate acidification in a separate (first stage) reactor directly improves the performance of methanogenesis (second stage). However, problems derived from the presence of sulfate (SO42−) and the subsequent sulfide formation in the second stage are not prevented in conventional 2st-AD systems. In addition, high costs related to reactor alkalinization still represent significant drawbacks in that configuration. The energy recovery potential via methanogenesis was assessed from acidified sugarcane vinasse samples collected from different dark fermentative systems, namely: V1 (subjected to NaOH+NaHCO3 dosing), V2 (subjected to NaOH dosing) and V3 (subjected to no pH control). Despite the harmfulness of sulfide, the enhanced production of acetate from the incomplete oxidation of organic matter in sulfidogenesis can benefit methanogens. The highest methane yield (296.3 NmL-CH4 g-COD−1) and global energy recovery potential (354,603 GWh per season) were obtained from the lactate and SO42−−rich vinasse (V2). Nevertheless, from a technological perspective, the methanogenesis of vinasses subjected to the fermentative-sulfidogenic process (V1) provided a higher quality biogas due to a higher calorific power (26.4-27.0 MJ Nm−3) and decreased H2S content in the biogas. Finally, the fermentative-sulfidogenic process as an alkalinizing strategy was demonstrated to be the best economic approach for scaling up the 2st-AD of sugarcane vinasse, overcoming the main economic drawback of that configuration.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تمت دراسة الهضم اللاهوائي على مرحلتين (2 - AD) لكرمة قصب السكر على نطاق واسع ومعروف عن تحسين إمكانات استعادة الطاقة في مصافي التكرير الحيوية لقصب السكر. يحسن الحفاظ على التحمض المحسن للركيزة في مفاعل منفصل (المرحلة الأولى) بشكل مباشر من أداء توليد الميثان (المرحلة الثانية). ومع ذلك، لا يتم منع المشاكل الناجمة عن وجود الكبريتات (SO42 -) وتكوين الكبريتيد اللاحق في المرحلة الثانية في أنظمة 2st - AD التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال التكاليف المرتفعة المتعلقة بتقلن المفاعل تمثل عيوبًا كبيرة في هذا التكوين. تم تقييم إمكانية استرداد الطاقة عن طريق توليد الميثان من عينات فيناس قصب السكر المحمض التي تم جمعها من أنظمة تخمر داكنة مختلفة، وهي: V1 (تخضع لجرعات هيدروكسيد الصوديوم+ هيدروكسيد الصوديوم)، V2 (تخضع لجرعات هيدروكسيد الصوديوم) و V3 (لا تخضع لأي تحكم في درجة الحموضة). على الرغم من ضرر الكبريتيد، فإن الإنتاج المعزز للأسيتات من الأكسدة غير الكاملة للمادة العضوية في تكوين الكبريت يمكن أن يفيد مولدات الميثان. تم الحصول على أعلى عائد للميثان (296.3 NmL - CH4 g - COD -1) وإمكانات استرداد الطاقة العالمية (354,603 جيجاوات ساعة في الموسم) من اللاكتات و SO42 -الأغنياء (V2). ومع ذلك، من منظور تكنولوجي، فإن توليد الميثان للنباتات الخاضعة لعملية التخمير الكبريتي (V1) يوفر غازًا حيويًا عالي الجودة بسبب قوة حرارية أعلى (26.4-27.0 ميجا جول نيوتن متر−3) وانخفاض محتوى كبريتيد الهيدروجين في الغاز الحيوي. أخيرًا، تم إثبات أن العملية التخميرية الكبريتية كاستراتيجية قلوية هي أفضل نهج اقتصادي لتوسيع نطاق 2 - AD لكرمة قصب السكر، والتغلب على العيب الاقتصادي الرئيسي لهذا التكوين.

Translated Description (French)

La digestion anaérobie en deux étapes (2st-AD) de la vinasse de canne à sucre est largement étudiée et bien connue pour améliorer le potentiel de récupération d'énergie dans les bioraffineries de canne à sucre. Le maintien d'une acidification accrue du substrat dans un réacteur séparé (premier étage) améliore directement les performances de la méthanogenèse (deuxième étage). Cependant, les problèmes dérivés de la présence de sulfate (SO42 −) et de la formation subséquente de sulfure dans la deuxième étape ne sont pas évités dans les systèmes 2st-AD conventionnels. En outre, les coûts élevés liés à l'alcalinisation du réacteur représentent toujours des inconvénients importants dans cette configuration. Le potentiel de récupération d'énergie via la méthanogenèse a été évalué à partir d'échantillons de vinasse de canne à sucre acidifiée prélevés sur différents systèmes de fermentation sombre, à savoir : V1 (soumis à un dosage de NaOH+NaHCO3), V2 (soumis à un dosage de NaOH) et V3 (soumis à aucun contrôle du pH). Malgré la nocivité du sulfure, la production accrue d'acétate provenant de l'oxydation incomplète de la matière organique dans la sulfidogenèse peut être bénéfique pour les méthanogènes. Le rendement en méthane le plus élevé (296,3 NmL-CH4 g-COD−1) et le potentiel mondial de récupération d'énergie (354 603 GWh par saison) ont été obtenus à partir de la vinasse riche en lactate et en SO42− − (V2). Néanmoins, d'un point de vue technologique, la méthanogénèse des vinasses soumises au procédé fermento-sulfidogénique (V1) a fourni un biogaz de meilleure qualité en raison d'un pouvoir calorifique plus élevé (26,4-27,0 MJ Nm−3) et d'une teneur réduite en H2S dans le biogaz. Enfin, il a été démontré que le processus fermento-sulfidogène en tant que stratégie d'alcalinisation était la meilleure approche économique pour augmenter la 2ème année consécutive de la vinasse de canne à sucre, en surmontant le principal inconvénient économique de cette configuration.

Translated Description (Spanish)

La digestión anaeróbica en dos etapas (2ª AD) de la vinaza de caña de azúcar es ampliamente estudiada y conocida por mejorar el potencial de recuperación de energía en las biorrefinerías de caña de azúcar. Mantener una acidificación mejorada del sustrato en un reactor separado (primera etapa) mejora directamente el rendimiento de la metanogénesis (segunda etapa). Sin embargo, los problemas derivados de la presencia de sulfato (SO42-) y la posterior formación de sulfuro en la segunda etapa no se previenen en los sistemas convencionales 2st-AD. Además, los altos costos relacionados con la alcalinización del reactor aún representan inconvenientes significativos en esa configuración. El potencial de recuperación de energía a través de la metanogénesis se evaluó a partir de muestras de vinaza de caña de azúcar acidificada recolectadas de diferentes sistemas fermentativos oscuros, a saber: V1 (sometida a dosificación de NaOH+NaHCO3), V2 (sometida a dosificación de NaOH) y V3 (sometida a ningún control de pH). A pesar de la nocividad del sulfuro, la producción mejorada de acetato a partir de la oxidación incompleta de la materia orgánica en la sulfidogénesis puede beneficiar a los metanógenos. El mayor rendimiento de metano (296.3 NmL-CH4 g-COD−1) y el potencial de recuperación de energía global (354,603 GWh por temporada) se obtuvieron de la vinaza rica en lactato y SO42−- (V2). Sin embargo, desde una perspectiva tecnológica, la metanogénesis de las vinasas sometidas al proceso fermentativo-sulfidogénico (V1) proporcionó un biogás de mayor calidad debido a un mayor poder calorífico (26.4-27.0 MJ Nm−3) y un menor contenido de H2S en el biogás. Finalmente, el proceso fermentativo-sulfidogénico como estrategia alcalinizante demostró ser el mejor enfoque económico para escalar el 2º AD de la vinaza de caña de azúcar, superando el principal inconveniente económico de esa configuración.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
إنتاج الميثان من قصب السكر: القدرة القلوية للعمليات التخميرية الكبريتية في الهضم اللاهوائي على مرحلتين
Translated title (French)
Production de méthane à partir de la vinasse de canne à sucre : le potentiel alcalinisant des procédés de fermentation sulfidogène dans la digestion anaérobie en deux étapes
Translated title (Spanish)
Producción de metano a partir de vinaza de caña de azúcar: el potencial alcalinizante de los procesos fermentativos-sulfidogénicos en la digestión anaeróbica en dos etapas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396520460
DOI
10.1016/j.nexus.2024.100303

Is supplement to
https://openalex.org/W4224921499 (Other)
https://openalex.org/W3020316538 (Other)
https://openalex.org/W2737249148 (Other)
https://openalex.org/W2583106591 (Other)
https://openalex.org/W2518340825 (Other)
https://openalex.org/W2397435288 (Other)
https://openalex.org/W2362998727 (Other)
https://openalex.org/W2342579971 (Other)
https://openalex.org/W2188874659 (Other)
https://openalex.org/W1590325873 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1868599745
  • https://openalex.org/W1871315969
  • https://openalex.org/W1968834637
  • https://openalex.org/W1971752398
  • https://openalex.org/W1974606399
  • https://openalex.org/W1975938809
  • https://openalex.org/W1976460812
  • https://openalex.org/W1992431423
  • https://openalex.org/W1993434554
  • https://openalex.org/W1993676154
  • https://openalex.org/W1993798160
  • https://openalex.org/W1994003841
  • https://openalex.org/W2001096873
  • https://openalex.org/W2001888869
  • https://openalex.org/W2003950107
  • https://openalex.org/W2012509861
  • https://openalex.org/W2027467644
  • https://openalex.org/W2030893704
  • https://openalex.org/W2048558318
  • https://openalex.org/W2052234455
  • https://openalex.org/W2052418744
  • https://openalex.org/W2056783413
  • https://openalex.org/W2061062087
  • https://openalex.org/W2067748751
  • https://openalex.org/W2073555543
  • https://openalex.org/W2076301855
  • https://openalex.org/W2089471443
  • https://openalex.org/W2089848749
  • https://openalex.org/W2106418531
  • https://openalex.org/W2132890728
  • https://openalex.org/W2158203310
  • https://openalex.org/W2164777859
  • https://openalex.org/W2212777206
  • https://openalex.org/W2213268615
  • https://openalex.org/W2249595199
  • https://openalex.org/W2471955973
  • https://openalex.org/W2556165750
  • https://openalex.org/W2561210279
  • https://openalex.org/W2561266588
  • https://openalex.org/W2565302382
  • https://openalex.org/W2584083351
  • https://openalex.org/W2586163838
  • https://openalex.org/W2600818340
  • https://openalex.org/W2743788362
  • https://openalex.org/W2750271281
  • https://openalex.org/W2775417650
  • https://openalex.org/W2791600181
  • https://openalex.org/W2795870623
  • https://openalex.org/W2897991685
  • https://openalex.org/W2942101366
  • https://openalex.org/W2947909739
  • https://openalex.org/W2963211264
  • https://openalex.org/W2966937874
  • https://openalex.org/W2967231237
  • https://openalex.org/W3174308726
  • https://openalex.org/W4206171732
  • https://openalex.org/W4220751294
  • https://openalex.org/W4232848479
  • https://openalex.org/W4291278391
  • https://openalex.org/W4307058806
  • https://openalex.org/W4313422420
  • https://openalex.org/W4380681818
  • https://openalex.org/W4384344152
  • https://openalex.org/W47673427
  • https://openalex.org/W82383392