Estudo de viabilidade econômica da produção de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de palha de cevada

Autor(es)

Elisângela de Jesus Cândido Moraes

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Lorena.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola de Engenharia de Lorena (EEL/ASDI)
• Data de defesa: 2008-10-03

Membros da banca

João Batista de Almeida e Silva; Maria das Gracas de Almeida Felipe; Francislene Andreia Hasmann; Edson de Oliveira Pamplona; Adalberto Pessoa Junior

• Orientador: João Batista de Almeida e Silva; Maria das Gracas de Almeida Felipe

Resumo

Materiais lignocelulósicos, como a palha de cevada, são fontes de baixo custo com potenciais aplicações em bioprocessos. A fração hemicelulósica destes materiais pode ser hidrolisada usando-se ácidos minerais, para a liberação de seu principal açúcar componente, a xilose que é substrato para a bioprodução de xilitol. Já a fração celulósica pode ser deslignificada fazendo uso de álcalis e posteriormente hidrolisada com ácidos minerais para a liberação da glicose. O principal objetivo desta pesquisa foi avaliar economicamente a bioprodução de xilitol a partir da fração hemicelulósica da palha de cevada. A caracterização química da palha de cevada revelou a presença de 38,55% de celulose, 21,41% de hemicelulose e 19,90% de lignina. Após a etapa de caracterização a palha foi hidrolisada utilizando-se ácido sulfúrico para extração da xilose, empregando-se um planejamento fatorial 24-1. As melhores condições de hidrólise foram a uma temperatura de 120ºC, concentração ácida de 2,6%, tempo de reação de 20 minutos e relação sólido: líquido de 1:13,5. Nessas condições obteve-se um rendimento de extração de xilose da ordem de 84,38%. A celolignina resultante desse processo foi submetida a uma nova hidrólise de acordo com planejamento experimental 24-1 sendo que as melhores condições de hidrólise para a máxima eficiência de extração de glicose de 67,96% foi a uma temperatura de 179ºC, concentração ácida de 3%, tempo de reação de 30 minutos e relação sólido: líquido de 1:8. Após a realização das hidrólises, o hidrolisado hemicelulósico foi submetido à destoxificação para eliminação dos compostos inibitórios ao metabolismo microbiano e sua posterior fermentação com a levedura Candida guilliermondii enquanto o hidrolisado celulósico rico em glicose foi utilizado para suplementar o meio de fermentação constituído do hidrolisado hemicelulósico uma vez que a glicose foi um dos parâmetros nutricionais avaliados no planejamento fatorial 26-2 utilizado para as fermentações realizadas em frascos Erlenmeyer. Estes experimentos foram realizados por 72 horas e as melhores condições de cultivo determinadas pelo modelo foram: 3,0 g/L de sulfato de amônio, 1,0 g/L de cloreto de cálcio, 20,0 g/L de solução de extrato farelo de arroz e hidrolisado hemicelulósico contendo o teor de 60 g/L de xilose sendo que a concentração inicial de células em cada frasco foi de 1,0 g/L. Nestas condições obteve-se um consumo de xilose e eficiência de conversão de 96,59 e 59,98%, respectivamente, sendo a produtividade volumétrica de xilitol de 0,48 g/L.h. A fim de avaliar o efeito da disponibilidade de oxigênio sobre a bioconversão de xilose em xilitol foram realizadas fermentações empregando-se as melhores condições de cultivo obtidas em frascos agitados em reator de 1L onde os parâmetros agitação e aeração foram estudados segundo um planejamento fatorial 22. De acordo com os resultados os máximos valores de produção, produtividade volumétrica e fator de conversão de xilose em xilitol foram 51,28 g/L, 0,71 g/L.h e 0,88 g/g, respectivamente, quando a agitação foi de 200 rpm e aeração de 0,9 vvm (KLa≅18h-1) em 72 horas de fermentação. As condições de fermentação estabelecidas durante a utilização de reator de 1 L foram então empregadas para avaliar o processo a partir de um reator de maior capacidade (16 L), utilizando como critério de ampliação o KLa. Os valores de produção, produtividade volumétrica e fator de conversão de xilose em xilitol foram respectivamente 55,63 g/L, 0,77 g/L.h e 0,91 g/g, correspondendo a eficiência de conversão de 99,23%. O caldo fermentado resultante desta fermentação foi submetido à centrifugação e posterior clarificação. Por fim foi realizado um estudo econômico em cada etapa do processo considerando os equipamentos, os meios de cultivo empregados e reagentes, consumo de energia elétrica e água utilizados no processo, bem como a depreciação dos equipamentos. Após este estudo constatou-se que o valor para o xilitol produzido por via biotecnológica a partir do hidrolisado hemicelulósico de palha de cevada é de R$ 1.389,05. (AU)

• Processo FAPESP: 03/04800-0 - Desenvolvimento de tecnologia de produção de Xilitol a partir do hidrolisado hemicelulósico de palha de cevada visando sua viabilidade econômica
• Beneficiário: Elisângela de Jesus Cândido Moraes
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto