Estratégias para otimização da produção de etanol de segunda geração por leveduras não-convencionais avaliadas através de modelagem matemática

Autor(es)

Luiz Eduardo Biazi

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Química
• Data de defesa: 2020-02-14

Membros da banca

Aline Carvalho da Costa; Rubens Maciel Filho; Anderson de Souza Sant'Ana; Cíntia Regina Sargo; Betânia Hoss Lunelli

• Orientador: Jaciane Lutz Ienczak; Aline Carvalho da Costa

Resumo

O bagaço de cana-de-açúcar é um subproduto do processo de produção de etanol (1G) e é um substrato lignocelulósico promissor para a produção de bioetanol de segunda geração (2G). Como as hemiceluloses representam cerca de 30 % do peso seco do bagaço, a quantidade de açúcares gerados após a hidrólise deste material representa uma porção substancial para a produção de bioetanol de segunda geração. A hidrólise de hemiceluloses resulta em uma mistura de xilose, glicose e outros monossacarídeos. Sendo assim, a transformação de pentoses em bioetanol torna-se um dos desafios mais importantes a serem resolvidos no âmbito científico e tecnológico, considerando a produção de bioetanol a partir de biomassa lignocelulósica. Nesse contexto, o uso de microrganismos naturalmente capazes de fermentar pentoses se torna interessante, como as leveduras Scheffersomyces stipitis e Spathaspora passalidarum. Considerando o processo de fermentação, a temperatura é um parâmetro operacional que exerce papel fundamental na reação, com influência na produtividade de etanol, no consumo de substratos, no crescimento celular e até na viabilidade dos microrganismos. A estimação de parâmetros dependentes da temperatura é uma das principais estratégias para compreensão cinética e melhoramento de processos. Nesse contexto, foi desenvolvido um modelo matemático não-estruturado para a produção de etanol de segunda geração descrevendo o consumo de xilose e glicose, o crescimento celular e a produção de etanol em função da temperatura, a partir de fermentações em batelada realizadas sob alta densidade celular. Para a levedura S. passalidarum, o modelo proposto descreveu satisfatoriamente o sistema de fermentação investigado na faixa de 26 a 32 ºC, com um coeficiente de correlação superior a 0,95 na condição de validação do modelo. Através da simulação do modelo, foi possível concluir que as maiores produtividades de etanol podem ser alcançadas em temperaturas entre 30 e 32 ºC. Além disso, foi realizada a modelagem de diferentes estratégias para aumentar o desempenho fermentativo das leveduras não convencionais utilizadas neste estudo, com o objetivo de confirmar o potencial para serem utilizadas em escala industrial. Após ser submetida a cinco fermentações sequenciais em batelada alimentada com reciclo de células a 30 ºC utilizando substrato sintético, a levedura S. passalidarum apresentou melhorias significativas em seus parâmetros de fermentação, atingindo um rendimento em etanol de 91 % no último ciclo de fermentação, com uma produtividade de 1,79 g/L.h. Através do desenvolvimento de um modelo matemático para representar as fermentações realizadas, foi possível compreender o efeito dos reciclos celulares na evolução dos parâmetros cinéticos. Finalmente, foi proposta uma estratégia de adaptação através de fermentações sequenciais com concentrações crescentes de hidrolisado hemicelulósico utilizando a levedura S. stipitis. Modelos matemáticos foram aplicados para compreender a influência da estratégia empregada nos parâmetros cinéticos, concluindo-se que o maior impacto se deu nos parâmetros relacionados à inibição por ácido acético. Ao comparar a linhagem adaptada com a não-adaptada, a estratégia de adaptação proposta foi validada, considerando o melhor desempenho da levedura adaptada em concentrações crescentes de ácido acético. (AU)

• Processo FAPESP: 16/14567-0 - Modelagem matemática do processo de produção de bioetanol de segunda geração com reciclo de células utilizando os microrganismos Scheffersomyces stipitis e Spathaspora passalidarum
• Beneficiário: Luiz Eduardo Biazi
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto