Orientador: Adriano Pinto Mariano

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O setor de papel e celulose tem dado claros indícios de mudança em sua estratégia industrial e comercial. O anseio pela produção de novos produtos a partir de fonte renovável (como por exemplo, cavacos de eucalipto) tem sido uma das principais forças que estão levando o setor buscar por...

Resumo: O setor de papel e celulose tem dado claros indícios de mudança em sua estratégia industrial e comercial. O anseio pela produção de novos produtos a partir de fonte renovável (como por exemplo, cavacos de eucalipto) tem sido uma das principais forças que estão levando o setor buscar por outras tecnologias. Dentre estes produtos, destacam-se os combustíveis como etanol e butanol, que podem ser produzidos pela fermentação dos açúcares celulósicos presentes no eucalipto. Devido à toxicidade dos próprios produtos, as fermentações tendem a ocorrer em meios reacionais diluídos, que implicam em elevados dispêndios energéticos e produção de vinhaça elevada, que podem reduzir a atratividade econômica de projetos. Aliada a motivação de se criar uma tecnologia que supere a problemática da inibição, está o interesse econômico em processos flexíveis, que permitem a criação de um negócio robusto frente a oscilações do mercado. Sendo assim, este projeto de caráter exploratório busca obter os principais rendimentos de um processo de fermentação flexível e intensivo. Em um primeiro momento, avaliou-se a produção de meio de cultivo de micro-organismos a partir de eucalipto. Para tanto, pré-tratou-se eucalipto com ácido sulfúrico diluído a diversas condições, seguido de uma hidrólise enzimática. Para uma hidrólise enzimática com 10% de teor de sólidos, foram alcançados concentrações baixas de glicose ¿ na faixa de 5 g/L ¿ e rendimentos globais de processo em glicose (pré-tratamento e hidrólise enzimática) na faixa dos 6%. Suplementou-se o caldo com glicose sintética para a realização dos ensaios de fermentação alcoólica para a produção de acetona, n-butanol e etanol (ABE). Avaliou-se três modos de operação: (1) fermentação batelada, (2) fermentação batelada com aplicação de vácuo intermitente e (3) fermentação semi-batelada com aplicação de vácuo intermitente (apenas na fermentação etanólica). Para a fermentação etanólica, observou-se que o tempo de reação diminuiu em 3h comparando batelada com batelada mais vácuo intermitente, aumentando a IV produtividade de 2,66 g/Lh para 3,20 g/L.h. Para os ensaios semi-batelada com vácuo intermitente, a produtividade foi inferior (1,74 g/Lh) pois o fornecimento de substrato era inferior a taxa de metabolização, levando a períodos de inatividade do micro-organismos. Este problema, no entanto, pode ser contornado, ministrando-se um substrato mais concentrado ou ultrapassando-se o volume inicial de fermentação. Com relação à fermentação ABE, verificou-se que a metabolização de substrato rico em pentoses ocorre muito lentamente (cerca de 84h totais) com baixas conversões do substrato (cerca de 40%), não justificando uma operação com vácuo. Já a fermentação de substrato com hexoses e pentoses é concluída após 72h de operação em batelada, com produtividade de 0,178 g/Lh de ABE. A aplicação de vácuo no mesmo ensaio aumentou a produtividade do processo para 0,293 g/Lh. Com este trabalho, observou-se que a utilização da tecnologia a vácuo leva ao aumento de produtividade em ambos os processos fermentativos, o que resulta em um menor número de reatores quando comparando batelada com batelada mais vácuo intermitente. Além disso, o estudo de flexibilização mostrou que a produção integrada de ABE e etanol utilizando a tecnologia a vácuo também reduz o número de equipamentos, diminuindo o custo de capital da biorrefinaria

Abstract: The pulp and paper industry has been giving clear signs that it¿s commercial and industrial strategy will change soon. The will to produce new products from renewable sources (such as eucalyptus wood chips) is one of the main driving forces pushing this sector to seek for different...

Abstract: The pulp and paper industry has been giving clear signs that it¿s commercial and industrial strategy will change soon. The will to produce new products from renewable sources (such as eucalyptus wood chips) is one of the main driving forces pushing this sector to seek for different technologies. Among these products, we highlight fuels such as n-butanol and ethanol, which can be produced by the fermentation of lignocellulosic sugars, present in the eucalyptus structure. Due to the products toxicity for the microorganisms, fermentations tends to occur in diluted media, which implies in higher energy demand and industrial waste ¿ factors that usually reduces industrial projects economic attractiveness. Allied to the motivation to create a technology that overcomes the product inhibition issue, there is the economic interest in flexible processes, which allows the creation of a robust business model to market oscillations. Therefore, this exploratory research Project aims to obtain the main industrial yields of an intensive and flexible fermentative process. In a first moment, fermentation broth production from eucalyptus was assessed. Eucalyptus wood chips were treated with sulfuric acid at different conditions, followed by an enzymatic hydrolysis with dry matter content of 10%. Low glucose concentrations were obtained ¿ about 5 g/L ¿and global process (pre treatment and hydrolysis) yields of 6%. The fermentation broth was the supplied with synthetic sugars to carry out the ethanolic and ABE (acetone, n-butanol and ethanol) fermentations essays. Three operational fermentation modes were evaluated: batch, batch with intermittent vacuum and semi-batch with intermittent vacuum (the last one only for ethanol production), For the ethanol production, it was observed that the batch with intermittent vacuum reaction is 3h shorter and has an average productivity of 3,20 g/L.h, whereas the batch fermentation has 2,66 g/L.h. Semi-batch with intermittent vacuum VI presented a lower productivity (1,74 g/L.h) because the substrate supply was not as high as the metabolization rate, leading to idle periods for the microorganism. Regarding the ABE fermentation, it was observed that the metabolization of pentose rich substrates occurred at low rates with low substrate conversion (approximately 40%), not justifying the intermittent vacuum operation. On the other hand, the substrate composed by both hexoses and pentoses is concluded after 72 h in batch operation, with 0,178 g/L.h of ABE. The use of intermittent vacuum for this fermentation increased the process productivity to an average value of 0,293 g/L.h. In this study, we observed that the use of combined fermentation and vacuum extraction operations leads to a productivity increase in both ethanol and ABE fermentation, requiring less fermenters in industrial scale when comparing batch fermentation and batch fermentation with intermittent vacuum. Besides that, the flexibilization study showed that integrated ABE end ethanol fermentation using vacuum technology also implies in less fermenters required

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