Orientadores: Francisco Maugeri Filho, Daniel Ibraim Pires Atala

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

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,...

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

Abstract: The biotechnological production of second generation ethanol (2G) through the cultivation of Scheffesomyces stipitis on pentoses obtained from hemicellulose hydrolyzates of agro-industrial wastes is of great economic interest. This is because, this process can add value to these wastes,...

Abstract: The biotechnological production of second generation ethanol (2G) through the cultivation of Scheffesomyces stipitis on pentoses obtained from hemicellulose hydrolyzates of agro-industrial wastes is of great economic interest. This is because, this process can add value to these wastes, replace fossil fuels, and promote a complete recovery of materials. Adding to this, the use of fermentation media with high concentration of substrate is of great interest to industry because it reduces significantly the volume of reactors and vinasse. Large amounts of ethanol in the culture medium consume less energy in the extraction process. However, this high concentration of ethanol inhibits the process, so its remotion during fermentation is advisable. The use of extraction techniques improves the performance of the process. The use of flash evaporator allows the use of high concentrations sugars, which results in increased production of ethanol, reducing the cost of distillation. Facing this, the objective of this study is to develop an alternative technology to bridge the currently existing bottlenecks in the production of 2G ethanol from pentoses through a fermentatiton process with cell retention, coupled to a vaccum evaporator type flash. With the proposed prototype, ethanol production from xyloses was studied in a process utilizing high cell concentration of S. stipitis. The reason for the use of this technology is due to the low tolerance of this strain to ethanol as well as the low productivity. Initial studies were conducted in order to investigate the inhibitory effects of ethanol and substrate concentrations in the kinetic behavior of the strain S. stipitis. To promote this, experiments were performed in batch and continuous mode, with substrate concentration ranging from 7.5 to 145 g.L-1. The results showed a strong inhibitory effect promoted on the specific growth rate, substrate consumption and ethanol production when high initial substrate concentrations were administered, leading to high concentrations of ethanol. Based on these experimental data, a mixed mathematical model that combines models of Andrews and Levenspiel to describe the inhibitory effect prmoted by substrate and ethanol concentrations, respectively, has been proposed. The kinetic model was able to satisfactorily describe the kinetic profile of the experimental data. However, mathematical modeling of kinetic parameters is a difficult task and it consumes a considerable period of time. A parametric sensitivity analysis was performed with the aid of a Plackett-Burman design using the Statistic software. The kinetic parameters were varied and the effect of this variation was evaluated in the cell, substrate and ethanol concentration profiles. The most relevant model parameters were ?max, Pmax, Yx, n and Yp/x, which were chosen to be re-estimated whenever there are changes in the operation conditions. In order to enhance the 2G ethanol production by strain S. stipitis, experiments were performed in fed-batch mode. This strategy was used to avoid the catabolic repression of this strain as well as to ensure optimal substrate feeding to the reactor. The operate of the system whit this strategy resulted in high concentrations of ethanol with high yields and productivities. The maximum ethanol concentration achivied was 46 g.L-1 obtained for xylose concentration in the feed medium of 200 g.L-1. The yield and productivity were 1.1 and 2.3 times higher than when operated in the batch mode. Finally, experiments were conducted to test the effectiveness of the technology developed in order to evaluate the efficiency of `extractive retentostato vacuum¿. The toxic effect caused by high ethanol concentrations was minimized by intermittent extraction in the flash tank operated on vacuum. This strategy allowed maintaining a low concentration of ethanol in the fermentation medium (~25 ¿ 35 g.L-1) and an alcohol concentration in the condenser at 40°GL. The maximum ethanol productivity obtained was 1 g.L 1.h-1, obtained with 100 g.L-1 of xylose in the feed medium, and this value was 4.35 times higher compared with experiments performed in bacth mode. The technology proposed here may contribute to enhance future research in 2G ethanol production through the development of processes for low cost industrial scale