Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Rafael Ramos de Andrade

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Um dos grandes desafios para viabilizar o processo de produção do bioetanol de segunda geração (E2G) está relacionado ao custo da destilação do etanol no caldo de fermentação, que requer concentrações ? 4% (v/v). Assim, são necessárias altas concentrações de açúcares no passo de hidrólise...

Resumo: Um dos grandes desafios para viabilizar o processo de produção do bioetanol de segunda geração (E2G) está relacionado ao custo da destilação do etanol no caldo de fermentação, que requer concentrações ? 4% (v/v). Assim, são necessárias altas concentrações de açúcares no passo de hidrólise enzimática, que só são alcançadas com alta concentração de sólidos. No entanto, as propriedades reológicas do meio mudam, ocasionando problemas de transferência de massa e calor e inibição por produto final, além de aumentar a demanda energética para uma mistura eficiente. Este trabalho propõe diversas estratégias para realizar a hidrólise em altas concentrações de sólidos do bagaço de cana-de-açúcar submetido a dois pré-tratamentos diferentes, o hidrotérmico (BH) e o ácido diluído seguido de deslignificação com NaOH (BAD). O propósito de escolher esses pré-tratamentos foi avaliar as conversões do processo com biomassas que apresentam alto teor de lignina (BH) e baixo teor (BAD), e como a estrutura interfere nesses processos quando a concentração de sólidos é maior. Foram conduzidas e comparadas cinco estratégias: batelada alimentada em duas configurações diferentes, hidrólise enzimática em duas etapas, hidrólise enzimática em três etapas, hidrólise enzimática em reciclos e SSF - sacarificação e fermentação simultâneas. Os resultados mostraram que a conversibilidade da celulose em altas concentrações de sólidos depende do tipo de biomassa e do tempo reacional. O BAD foi o que apresentou os melhores resultados, contudo, o aumento da concentração de sólidos de 5% (m/v) para 20% interferiu na conversão (96,58 ± 3,10 % e 73,00 ± 1,85 %, respectivamente). Das diferentes estratégias estudadas as que se destacaram foram: batelada alimentada com adsorção prévia das enzimas (C1) (136,63 ± 1,59 g/L de glicose e 86,33 ± 2,02 % de conversão de celulose) e a SSF, ambas para o BAD. A SSF com uma etapa de pré-sacarificação e oscilações na temperatura (50 e 38 ºC) produziu durante todo o processo até 149,00 g/L de glicose (143 h) com rendimento de 49,85 ± 1,65 % em etanol (8h). A baixa concentração em etanol se deve ao aumento da temperatura, onde os microrganismos provavelmente não resistiram e somente glicose foi produzida quando a temperatura voltou para 38 ºC. Os estudos sugerem a possibilidade de tornar o E2G competitivo e viável economicamente

Abstract: One of the major challenges to the viability of the second generation bioethanol (E2G) production process is related to the cost of ethanol distillation in the fermentation broth, which requires concentrations ? 4% (v/v). Thus, high sugar concentrations are required in the enzymatic...

Abstract: One of the major challenges to the viability of the second generation bioethanol (E2G) production process is related to the cost of ethanol distillation in the fermentation broth, which requires concentrations ? 4% (v/v). Thus, high sugar concentrations are required in the enzymatic hydrolysis step, which are only achieved with a high concentration of solids. However, the rheological properties of the slurry changes, which creates problems associated with mass and heat transfer and inhibition by the final product, as well as increasing the energy demand for an efficient mixture. This study proposes several strategies for performing hydrolysis in high solids concentrations of sugarcane bagasse pretreated by two different methods: hydrothermal (HB) and dilute acid followed by delignification with NaOH (ADB). These pre-treatments were chosen to evaluate the conversion process of biomasses that have high lignin content (HB) and low content (ADB), and also to investigate how the structure interferes in these processes when the concentration of solids is higher. Five strategies were carried out and compared: fed batch hydrolysis in two different configurations, enzymatic hydrolysis in two stages, enzymatic hydrolysis in three stages, enzymatic hydrolysis with recycles and SSF - simultaneous saccharification and fermentation. The results showed that cellulose conversion in hydrolysis with a high solid concentration depends on the type of biomass and reaction time. ADB had the most significant results, nonetheless, the increase in solids concentration from 5% (m/v) to 20% interfered with conversion (96.58 ± 3.10% and 73.00 ± 1.85%, respectively). From the different strategies studied, the ones that stood out were; fed batch with previous enzymes adsorption (C1) (136.63 ± 1.59 g/L glucose and 86.33 ± 2.02% cellulose conversion) and SSF, both for the ADB. SSF with a pre-saccharification stage and temperature oscillations (50 and 38 ° C) yielded up to 149.00 g/L of glucose (143 h) and 49.85 ± 1.65 % (8 h) of yield in ethanol throughout the process. The low ethanol concentration was due to an increase in temperature, as likely microorganisms did not survive and thus, only glucose was produced when the temperature returned to 38 ºC. This study indicates the possibility of making the process of E2G more competitive and economically feasible

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