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Production of biofuels and bioproducts using industrial spent coffee grounds (2025)

  • Authors:
  • Autor USP: DIAS, MARIA EDUARDA SIMÕES - EESC
  • Unidade: EESC
  • Sigla do Departamento: SHS
  • DOI: 10.11606/T.18.2025.tde-26112025-161536
  • Subjects: DIGESTÃO ANAERÓBIA; CAFÉ; RESÍDUOS ORGÂNICOS; FERMENTAÇÃO LÁTICA; BIOCOMBUSTÍVEIS; BIOMASSA
  • Keywords: Bioetanol; Biomassa lignocelulósica; Borra de café; Destoxificação de hidrolisados; Pré-tratamento alcalino
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: A digestão anaeróbia de resíduos lignocelulósicos de processos industriais aplicada à geração de metano tem o potencial de atribuir valor energético aos materiais que possuem tratamentos e transporte onerosos prévios à disposição, resultando em fechamento precoce de aterros sanitários e emissões descontroladas de metano e outros gases de efeito estufa (GEE). O uso de biomassa residual contribui para a diversificação da matriz energética sem acirrar a competição por terras aráveis entre monoculturas voltadas à produção de biocombustível e culturas voltadas à produção de alimentos. Dentre os resíduos lignocelulósicos, estão aqueles gerados em processos de extração, tal como a borra de café (BC). Cerca de 50% dos grãos de café colhidos são destinados à produção de café instantâneo por vaporização. Tal processo de extração de flavorizantes do grão de café resulta em resíduo sólido de alto teor de lignina. Devido à recalcitrância do resíduo lignocelulósico, a digestão anaeróbia da borra de café depende de pré-tratamentos anteriores ao processo biológico. Este estudo teve como objetivo investigar a influência da composição lignocelulósica, especialmente da lignina, no rendimento de metano; avaliar os parâmetros operacionais que influenciam na digestão anaeróbia (DA) da borra de café industrial (relação substrato/inóculo e teor de sólidos); integrar a água residuária do processamento de café (ARPC) ao pré-tratamento de BC seguido da DA em meio líquido; avaliar estratégias de deslignificação como potenciadoras da DA de BC; analisar as mudanças na comunidade microbiana sob todas as condições testadas; e desenvolver proposta integrada, combinando pré-tratamento ácido seguido da detoxificação do hidrolisado para a produção de ácido lático, etanol e biogás. A revisão de literatura analisou 105 pontos de entrada, cada um de uma referência distinta, para comparar duas metodologiasde caracterização de lignocelulósicos: hidrólise ácida em duas etapas (M1) e análise de fibra detergente (M2). Testes de Mann-Whitney U identificaram discrepâncias significativas, especialmente na quantificação de lignina. Em seguida, um conjunto de 80 entradas de 66 referências foi usado para explorar as relações entre composição lignocelulósica, razão substrato-inóculo e produção de metano. A análise de componentes principais destacou padrões que diferenciam os processos de digestão anaeróbia (DA) em estado sólido (SS-DA) e líquido (LS-DA). Os resultados indicam que a lignina afeta a produção de metano de forma oposta: negativamente em LS-DA e positivamente em SS-DA, desafiando a visão de que sempre inibe a digestão anaeróbia e destacando a importância das interações específicas de cada sistema. Os experimentos foram conduzidos para otimizar a digestão anaeróbia (DA) da borra de café (BC) por meio do delineamento composto central (DCC) e da metodologia de superfície de resposta (MSR). A relação inóculo-substrato (ISR) e o teor de sólidos foram identificados como parâmetros críticos para evitar a inibição e maximizar a produção de metano, com valores ótimos de 1,36 e 14,83 gTVS L^[-1], respectivamente. Na codigestão de BC com celulose microcristalina, o aumento da proporção de BC favoreceu bactérias sintróficas, estabilizando o processo e reduzindo o risco de acidificação. Apesar do alto teor de lignina, a BC atingiu um rendimento de metano (RM) de 360,89 NmLCH4 g-1 TS, comparável ao da celulose microcristalina, mas com menor taxa de produção. Alterações na comunidade microbiana sugerem que substâncias húmicas podem ter facilitado a transferência direta de elétrons (DIET), melhorando a eficiência do processo. As estratégias de pré-tratamento foram ampliadas, evidenciando que concentrações mais baixas de NaOH (≤1%) reduziram o acúmulo de sódio em BC pós-tratamento e aumentaram o rendimento de metano (RM) em 21% em relação à BC in natura. A suplementação com bicarbonato de sódio durante a digestão anaeróbia apresentou um efeito ainda mais expressivo, elevando o RM em 42% ao promover o enriquecimento de bactérias celulolíticas e metanogênicas acetoclásticas, estabilizando o processo sem a necessidade de pré-tratamentos intensivos. Além disso, uma abordagem inovadora utilizou ácidos graxos de cadeia curta (AGVs), obtidos da fermentação acidogênica da água residuária do beneficiamento do café, como catalisadores no pré-tratamento de BC. Esse método aumentou o RM em 68%, superando as técnicas convencionais e destacando a sinergia entre os resíduos do café. Além da digestão anaeróbia (DA), este estudo investigou a destoxificação do hidrolisado de SCG (SCG-H) utilizando BC como bioadsorvente, com eficiente remoção de compostos fenólicos inibitórios sem comprometer o teor de açúcares. Esse processo aumentou significativamente a produção de ácido lático, de 1,43 g LA L-1 (SCG-H não destoxificado) para 11,61 g LA L-1 (SCG-H destoxificado), demonstrando o potencial da SCG como um agente destoxificante de baixo custo. A produção de bioetanol a partir de SCG-H não destoxificado atingiu 0,40 g de etanol por grama de açúcar, com eficiência de 78%, utilizando uma linhagem termotolerante de Kluyveromyces marxianus. A fração sólida residual foi então submetida à digestão anaeróbia com inóculo misto, resultando em um aumento de 29% no rendimentode metano (301,14 mL CH4 g-1 TS) e uma melhoria de 65% na taxa de produção em comparação com a in natura BC. Esses resultados demonstram a viabilidade de uma estratégia de biorrefinaria em cascata para otimizar o aproveitamento dos resíduos de café dentro de um modelo de economia circular, destacando o potencial da BC como um substrato versátil para a produção de bioenergia e bioprodutos. A combinação da análise de literatura com a validação experimental proporcionou um arcabouço abrangente para aprimorar a valorização da biomassa lignocelulósica, contribuindo para o desenvolvimento de soluções na gestão de resíduos e na produção de energia renovável.
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 27.06.2025
    • Acesso à fonteAcesso à fonteDOI
    Informações sobre o DOI: 10.11606/T.18.2025.tde-26112025-161536 (Fonte: oaDOI API)
    • Este periódico é de acesso aberto
    • Este artigo é de acesso aberto
    • URL de acesso aberto
    • Cor do Acesso Aberto: gold
    • Licença: cc-by-nc-sa
    How to cite
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    • ABNT

      DIAS, Maria Eduarda Simões. Production of biofuels and bioproducts using industrial spent coffee grounds. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18139/tde-26112025-161536/. Acesso em: 04 dez. 2025.

    • APA

      Dias, M. E. S. (2025). Production of biofuels and bioproducts using industrial spent coffee grounds (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18139/tde-26112025-161536/

    • NLM

      Dias MES. Production of biofuels and bioproducts using industrial spent coffee grounds [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 04 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18139/tde-26112025-161536/

    • Vancouver

      Dias MES. Production of biofuels and bioproducts using industrial spent coffee grounds [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 04 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18139/tde-26112025-161536/

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