Orientadores: Aline Carvalho da Costa, José Geraldo da Cruz Pradella

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

Resumo: O etanol já está no mercado há algumas décadas como um substituto para combustíveis fósseis e também vem sendo incorporado nas indústrias químicas como matéria-prima. Para ampliar a presença do etanol no mercado, é necessário ampliar sua produção e o etanol de segunda geração (E2G) é uma...

Resumo: O etanol já está no mercado há algumas décadas como um substituto para combustíveis fósseis e também vem sendo incorporado nas indústrias químicas como matéria-prima. Para ampliar a presença do etanol no mercado, é necessário ampliar sua produção e o etanol de segunda geração (E2G) é uma opção que viabiliza o aumento da produção sem ampliação da área plantada com cana-de-açúcar. No entanto, o custo de produção de E2G ainda é um importante gargalo, particularmente o pré-tratamento do material lignocelulósico e a produção de enzimas lignocelulolíticas. Nesse contexto, o escalonamento de todo o processo ¿ pré-tratamento, produção de enzimas e fermentação alcoólica ¿ é parte importante para viabilização dessa tecnologia renovável. O objetivo deste projeto foi estudar a ampliação de escala de um processo de produção de coquetel enzimático lignocelulolítico (CEL) utilizando fungo filamentoso da espécie Trichoderma harzianum através do estudo de variáveis de processo. Foi estudada a influência do cisalhamento e da concentração de oxigênio dissolvido decorrente de diferentes condições de agitação e aeração em fermentador de 2 L de volume útil e seu impacto sobre a produção do CEL e sobre a morfologia fúngica. Foram realizadas medidas de atividades enzimáticas do CEL produzido, concentração de proteína, morfologia do micélio fúngico e viscosidade do meio fermentado, buscando-se correlacionar tais resultados com as variáveis de processo testadas. Também foi realizada a caracterização de fermentadores de 2 L e 100 L quanto à geometria e ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa). Estes resultados foram utilizados para propor duas estratégias de escalonamento do processo de produção do coquetel enzimático para fermentador de 100 L e elucidar os parâmetros mais importantes para o escalonamento deste tipo de bioprocesso. Os resultados de escalonamento da produção de CEL obtidos utilizando a primeira estratégia, na qual foram empregados como critérios de escalonamento a velocidade da extremidade do impelidor (vtip) juntamente com a vazão específica de ar (?ar), resultaram em aproximadamente 50% da produtividade para as atividades enzimáticas avaliadas em relação à escala de 2 L. A segunda estratégia, utilizando faixa de kLa constante como critério de escalonamento, apresentou resultados melhores que a primeira estratégia, sendo equivalente à escala de laboratório para atividade celulásica total. As demais atividades enzimáticas obtidas ainda foram inferiores às obtidas em fermentadores de laboratório, no entanto o incremento obtido com a segunda estratégia em relação à primeira foi expressivo para todas as atividades avaliadas. Ainda assim, os resultados mostram a necessidade de se concentrar esforços em escalonamento de processos, especialmente os aeróbicos com fungos filamentosos que apresentam características bastante desafiadoras

Abstract: Ethanol has been on the market for decades as a substitute for fossil fuels as well as has also been incorporated in the chemical industry as a feedstock. In order to increase the ethanol market size, it is necessary to increase its production and the second generation ethanol (2GE) is an...

Abstract: Ethanol has been on the market for decades as a substitute for fossil fuels as well as has also been incorporated in the chemical industry as a feedstock. In order to increase the ethanol market size, it is necessary to increase its production and the second generation ethanol (2GE) is an option that allows the increase of production without expansion of the land use for sugarcane plantation. However, the production cost of 2GE is still an important bottleneck, particularly the lignocellulosic pretreatment and enzyme production steps. In this context, the whole process scale-up ¿ pretreatment, enzyme production and alcoholic fermentation ¿ is an important step for the technological viability of this renewable technology. The aim of this project was to study the production process scale-up of lignocellulolytic enzyme cocktail using Trichoderma harzianum filamentous fungi strains through the study of processes variables. It was evaluated the influence of shear stress levels and dissolved oxygen concentration obtained by different agitation and aeration rates during experiments performed in 2 L working volume stirred tank fermentors and its impact on the enzymatic cocktail productivity and fungi morphology. Enzymatic activities, protein content, fermented broth viscosity and morphology aspects were evaluated aiming to correlate these results with process conditions. 2 L and 100 L fermentors geometry characterization and volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) determination were also performed. These results were used to design two scale-up process strategies to produce the enzymatic cocktail at 100 L working volume stirred tank fermentor and understand the most important parameters for the scale-up to this bioprocess. The scale-up results achieved for enzymatic activities with the first strategy, in which were used impeller tip speed (vtip) and specific air flow (?ar) as scale-up criteria, resulted in approximately 50% of the enzymatic activities obtained at the 2 L fermentor. The second scale-up strategy, performed with constant range of kLa as scale-up criterion, was better than the first one, reaching the same total cellulasic activity obtained at the 2 L fermentor. The other enzymatic activities remained lower than those obtained at lab scale, but the activity increment obtained with the second strategy in comparison with the first one was significant for all the enzymatic activities. Even so, the results show the importance of applying resources to process scale-up, particularly for the aerobic bioprocesses with filamentous fungi, which present challenging characteristics

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