Orientadores: Adriano Pinto Mariano, Francisco Maugeri Filho

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

Resumo: O biobutanol é convencionalmente produzido através da fermentação ABE (acetona-butanol-etanol). No entanto, a alta corrosividade e as baixas propriedades funcionais da acetona tornam o processo menos atrativo para a produção de butanol como biocombustível. Alternativamente, a produção de...

Resumo: O biobutanol é convencionalmente produzido através da fermentação ABE (acetona-butanol-etanol). No entanto, a alta corrosividade e as baixas propriedades funcionais da acetona tornam o processo menos atrativo para a produção de butanol como biocombustível. Alternativamente, a produção de biobutanol via fermentação IBE (isopropanol-butanol-etanol) diminui esses riscos de mercado, uma vez que essa mistura pode ser utilizada diretamente como biocombustível ou como aditivo na gasolina. Contudo, limitações técnicas presentes na fermentação ABE, como baixa produtividade, alta inibição pelo produto, e sensibilidade aos inibidores fermentativos oriundos do processo de segunda geração, são ainda mais intensos na fermentação IBE. Portanto, propusemos nessa tese de doutorado, a integração, em um mesmo tanque fermentativo, de um sistema de imobilização celular, que aumenta o número de células no reator, à tecnologia de extração a vácuo, que permite a recuperação in-situ dos produtos de fermentação, diminuindo a inibição pelo produto. A tecnologia de impressão 3D foi utilizada para construir o sistema de imobilização celular, composto por uma estrutura tipo gaiola que mantinha o bagaço em contato com o meio de cultura ao longo de todo o processo fermentativo. Propusemos ainda, uma estratégia que permitiu a produção de IBE a partir de hidrolisados de bagaço de cana-de-açúcar através da adição de melaço. Com a utilização do sistema de imobilização celular proposto nesse trabalho, conseguimos realizar a fermentação IBE em 5 bateladas consecutivas (138 horas) em meio sintético. No entanto, a conversão de glicose e a produtividade foram limitadas a 37 % e 0,21 g IBE/L?h, respectivamente. Ao acoplar a tecnologia de extração a vácuo, conseguimos conduzir uma fermentação IBE em modo batelada-repetida por 209 horas, em que a conversão de glicose e a produtividade aumentaram para 66 % e 0,28 g IBE/L?h, respectivamente. Ao final do processo, obtivemos um condensado contendo 29 g/L de butanol, concentração mais elevada que as atingidas em reatores simples, o que geraria economia de energia no processo de separação. Em paralelo, mostramos que, apesar da presença de compostos inibidores do processo fermentativo, a utilização de hidrolisados lignocelulósicos do bagaço de cana é possível para a produção de IBE, especialmente quando o melaço é acrescentado como suplemento. Em meio contendo um total de açúcares de 35 g/L, a glicose foi completamente consumida e a sacarose, xilose e o ácido lático foram consumidos em 38%, 31%, e 70%, respectivamente. Nós agradecemos à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Processos 2015/20630-4; 2016/23042-9; 2017/07390-0, e 2018/23983-3) pelo apoio financeiro

Abstract: Biobutanol is conventionally produced through ABE (acetone-butanol-ethanol) fermentation. However, acetone¿s corrosivity and poor fuel properties decrease attractiveness of this process for butanol production as biofuel. Alternatively, the production of biobutanol through IBE...

Abstract: Biobutanol is conventionally produced through ABE (acetone-butanol-ethanol) fermentation. However, acetone¿s corrosivity and poor fuel properties decrease attractiveness of this process for butanol production as biofuel. Alternatively, the production of biobutanol through IBE (isopropanol-butanol-ethanol) fermentation decreases these market risks since the IBE mixture can be used directly as fuel or as gasoline additive. However, technical limitations commonly found in ABE fermentation, i.e. low productivities, high product inhibition, and high sensitivity towards fermentation inhibitors from second generation processes, are even more accentuated in IBE fermentation. Thus, this thesis proposed the integration, in the same fermentation vessel, of a cell immobilization system, which increases the number of cells inside the bioreactor, and the vacuum extraction technology, that promotes in-situ product recovery, decreasing product inhibition. 3D printing technology was used to build the immobilization system, composed by a cage-like prototype that maintained the sugarcane bagasse in contact with the fermentation medium along the process. This thesis also proposed a strategy to enable IBE production from sugarcane bagasse hydrolysates using molasses as supplement. The immobilization system allowed the performance of five consecutive batches (138 hours) in synthetic medium. However, glucose conversion and IBE productivity were limited to 37 % and 0.21 g/L?h, respectively. Coupling vacuum technology to the system allowed the conduction of 209 hours of repeated-batch process; glucose conversion and IBE productivity increased to 66 %, 0.28 g/L?h, respectively. At the end of the fermentation, we obtained a condensate with 29 g butanol/L; this higher butanol concentration compared to concentrations achieved inside the bioreactor can decrease energy consumption during separation process. Parallelly, this thesis showed that, despite the presence of fermentation inhibitory compounds, the use of sugarcane bagasse lignocellulosic hydrolysates is feasible for IBE production, specially when molasses is added as supplement. Glucose was exhausted and sucrose, xylose, and lactic acid consumption were 38 %, 31 %, and 69 %, respectively. We thank the São Paulo Research Foundation (FAPESP) for the financial support (Grant numbers 2015/20630-4; 2016/23042-9; 2017/07390-0, and 2018/23983)

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