Produção de etanol de segunda geração por Scheffersomyces stipitis a partir de pentoses em processo extrativo à vácuo

Autor(es)

Daniele Farias

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia de Alimentos
• Data de defesa: 2014-07-11

Membros da banca

Francisco Maugeri Filho; Eloizio Julio Ribeiro; Fátima Aparecida de Almeida Costa; Marcio Antonio Mazutti; Rosana Goldbeck

• Orientador: Daniel Ibraim Pires Atala; Francisco Maugeri Filho

Resumo

A produção biotecnológica de etanol de segunda geração (2G) mediante o cultivo de Scheffersomyces stipitis a partir de pentoses de hidrolisados hemicelulósicos de resíduos agroindustriais é de grande interesse econômico. Isso porque esse processo pode agregar valor a estes resíduos, possibilitando substituir os combustíveis fósseis, além de promover um aproveitamento mais completo dos materiais. Somando-se a isso, a utilização de meios fermentativos com alta concentração de substrato é de grande interesse para a indústria, pois diminui de forma significativa o volume das dornas e da vinhaça. As grandes quantidades de etanol no meio consomem menos energia no processo de extração. Porém, esta alta concentração de etanol inibe o processo, surgindo necessidade do mesmo ser retirado do meio enquanto é produzido. A utilização de técnicas de extração melhora o desempenho do processo. O uso do evaporador flash possibilita usar altas concentrações de açúcares, o que tem como consequência maior produção de etanol, reduzindo o custo da destilação. Diante disto, o objetivo dest trabalho foi o de desenvolver uma tecnologia alternativa para transpor os gargalos hoje existentes na produção de etanol 2G a partir de pentoses através de um processo fermentativo com retenção de células, acoplado a um evaporador a vácuo tipo flash. O protótipo proposto possibilitou investigar a produção de etanol a partir de xiloses, em processo utilizando alta concentração celular de S. stipitis. A razão do emprego desta tecnologia se deve à baixa tolerância do micro-organismo ao etanol e à baixa produtividade. Inicialmente foram realizados estudos visando investigar os efeitos inibitórios da concentração de etanol e de substrato no comportamento cinético da linhagem S. stipitis. Para tal, foram realizados experimentos no modo batelada e contínuo, com concentração de substrato variando na faixa de 7,5 a 145 g.L-1. Os resultados comprovaram o forte efeito inibitório sobre a velocidade específica de crescimento celular, de consumo de substrato e de etanol produzido quando administradas elevadas concentrações de substrato, bem como quando acumulados altas concentrações de etanol. Com base nestes dados foi desenvolvido um modelo matemático misto, o qual combina os modelos de Andrews e Levenspiel para descrever os efeitos inibitórios da concentração de substrato e etanol, respectivamente. O modelo cinético foi capaz de descrever satisfatoriamente o perfil cinético dos dados experimentais.. Fez-se uma análise de sensibilidade paramétrica através do auxílio de um planejamento Plackett-Burman usando o software Statistica, variando os parâmetros cinéticos e avaliando o efeito desta variação nos perfis de concentração celular, substrato e etanol. Os parâmetros idenficados como mais relevantes do modelo foram ?max, Pmax, Yx, n e Yp/x, os quais foram escolhidos para serem re-estimados sempre que houverem mudanças nas condições operacionais. Com intuito de aprimorar a produção de etanol pela linhagem S. stipitis, realizaram-se experimentos no modo batelada alimentada. Esta estratégia é utilizada para evitar a repressão catabólica do micro-organismo, bem como para assegurar uma alimentação ótima de substrato no reator. Operar o sistema com esta estratégia resultou em elevados rendimentos e produtividades para este tipo de processo. A máxima concentração de etanol obtida foi de 46 g.L-1, obtidas para concentração de xilose no meio de alimentação de 200 g.L-1. O rendimento e a produtividade foram 1.1 e 2.3 vezes superiores do que quando operados experimentos no modo batelada simples. Por fim, para testar a operacionalidade da tecnologia desenvolvida foram realizados experimentos com o intuito de avaliar a eficiência do `retentostato extrativo a vácuo¿. O efeito tóxico promovido pelo etanol em altas concentrações foi minimizado pela extração intermitente em tanque flash operado a vácuo. Esta estratégia permitiu manter uma baixa concentração de etanol no meio fermentativo (~25-35 g.L-1) e uma concentração alcóolica no condensador de 40 °GL. A máxima produtividade em etanol obtida o sistema desenvolvido foi de 1 g.L-1.h-1, obtido com 100 g.L-1 de xilose no meio de alimentação, valor este 4.35 vezes maior quando comparado aos cultivos no modo batelada simples. A tecnologia proposta aqui pode contribuir para aprimorar futuras pesquisas na produção de etanol 2G por meio do desenvolvimento de processos de baixo custo em escala industrial (AU)

• Processo FAPESP: 10/01606-1 - Produção de álcool de segunda geração a partir de pentoses por Pichia stipitis utilizando processo fermentativo extrativo a vácuo
• Beneficiário: Daniele Farias
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado