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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Avaliação da fermentação alcoólica com reciclo de células de hidrolisado celulósico de bagaço de cana-de-açúcar em unidade integrada e autônoma
Title Alternative: Evaluation of alcoholic fermentation with cell recycling of cellulosic hydrolysate from sugarcane bagasse in an integrated and stand-alone unit
Author: Yamakawa, Celina Kiyomi, 1980-
Advisor: Maciel Filho, Rubens, 1958-
Abstract: Resumo: A produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos, denominada "etanol de segunda geração" (E2G), em larga escala é um desafio técnico-econômico em função da dificuldade em acessar e converter os carboidratos em açúcares fermentescíveis a etanol com alto rendimento e produtividade. Diversas rotas têm sido pesquisadas e avaliadas extensivamente para o seu desenvolvimento tecnológico de maneira sustentável. A rota adotada neste trabalho é baseada na separação de correntes. Há uma primeira etapa de pré-tratamento em que se recupera o hidrolisado hemicelulósico. A fermentação de pentoses apresenta grandes obstáculos, sendo as principais a elevada carga de inibidores, micro-organismo pouco apto, além de rendimento e produtividade baixos. A fração sólida pré-tratada, rica em celulose, é hidrolisada pela ação de um conjunto de enzimas para a sua conversão a glicose. As dificuldades nessa etapa são baixo rendimento e produtividade, e elevado custo. Neste trabalho adotou-se a fermentação do hidrolisado celulósico pelo processo atualmente praticado nas usinas de etanol de primeira geração (E1G). Foram abordados o estudo da fermentação integrada com caldo e melaço de cana-de-açúcar, e de maneira autônoma. O objetivo foi analisar o impacto da integração no processo brasileiro atual de fermentação alcoólica com reciclo de células, pois os componentes inibitórios poderiam afetar o desempenho fermentativo e as funções metabólicas da levedura, inviabilizando a sua integração. Hoje a área de fermentação é responsável pela menor eficiência industrial devido a diversos fatores negligenciados, como contaminação bacteriana e instalações inapropriadas. Já a fermentação de maneira independente em uma unidade autônoma de E2G foi avaliada para determinar a suplementação de nutrientes necessária a partir de fontes economicamente viáveis. Neste trabalho foram levantados dados experimentais de fermentação em biorreatores de bancada de 1 L e 2 L. O hidrolisado celulósico foi obtido por pré-tratamento hidrotérmico de bagaço de cana-de-açúcar em reator de 350 L seguido de hidrólise enzimática em reator de 20 L com conjunto de enzimas comerciais. A fermentação alcoólica integrada com 16% de hidrolisado celulósico em batelada com reciclo de células em 10 ciclos consecutivos teve um desempenho muito similar à fermentação de E1G. A fermentação com 100% de hidrolisado foi viável mediante a suplementação com 8% de melaço. O vinho dessas fermentações foi destilado em um sistema de batelada para a caracterização da mistura hidroalcoólica e da vinhaça. A mistura hidroalcoólica apresentou propriedades físicas próximas às especificadas pela ANP para etanol combustível em relação a condutividade, acidez e pH. A vinhaça apresentou DBO e DQO similares e nitrogênio total bem menores aos valores usuais de vinhaça de E1G. As taxas de crescimento celular foram menores comparadas à fermentação de E1G. Entretanto, não prejudicou o desempenho fermentativo. Porém, não é possível afirmar que não haverá prejuízo na indústria, uma vez que a taxa de crescimento deve compensar a perda de células na centrifugação para manter a produtividade. Dessa maneira, foram estudadas as condições favoráveis de reativação de células para remediar os efeitos colaterais dos inibidores do hidrolisado

Abstract: The production of ethanol from lignocellulosic materials, named "second-generation ethanol" (E2G), on a large scale is a techno-economical challenge due to the difficulty in accessing and converting carbohydrates into fermentable sugars and then into ethanol with high yield and productivity. Several routes have been extensively researched and evaluated for its technological development in a sustainable way. The route adopted in this work is based on the separation of streams. There is a first step of pretreatment wherein the hemicellulosic hydrolysate is recovered. Pentose fermentation presents major obstacles, mainly the high load of inhibitors, ineffective performance of the micro-organism, as well as low yield and productivity. The pretreated solid fraction, rich in cellulose, is hydrolyzed by the action of a set of enzymes for its conversion into glucose. The drawbacks of this step are low yield and productivity, and high cost. This work adopted the fermentation of cellulosic hydrolysate by the process currently employed in first-generation ethanol plants (E1G), through an integrated configuration and stand-alone unit. The aim was to analyze the impact of integration in the current Brazilian process of alcoholic fermentation with cell recycling, since the inhibitory components could affect the fermentative performance and metabolic functions of the yeast, invalidating the integration. Nowadays, the field of fermentation is responsible for the lowest industrial efficiency because of many neglected factors, such as bacterial contamination and improper installations. Comparatively, fermentation on a stand-alone E2G unit was evaluated to determine the required nutrient supplementation from economically viable sources. In this work, experimental data on fermentation were collected using bench bioreactors of 1 L and 2 L. The cellulosic hydrolysate was obtained by hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse in a 350-L reactor followed by enzymatic hydrolysis using a 20-L reactor and a set of commercial enzymes. The integrated alcoholic fermentation with 16% of cellulosic hydrolysate in batch mode with cell recycling in 10 consecutive cycles showed a very similar performance to the fermentation of E1G. Fermentation using cell recycling with 100% of hydrolysate was feasible by supplementation with 8% of molasses. The wine from these fermentations was distilled in a batch system for characterization of the hydro alcoholic and vinasse fractions. The hydro alcoholic fraction exhibited physical properties similar to those specified by ANP for fuel ethanol in relation to conductivity, acidity and pH. Vinasse presented similar BOD and COD and total nitrogen considerably lower than the usual values of E1G vinasse. Cell growth rates were lower compared to the fermentation of E1G. Nevertheless, it did not impair the fermentative performance. However, it is not possible to assert that there will be no damage in the industry, since the growth rate must compensate cell loss in centrifugation to maintain productivity. Thus, the favorable conditions for cell reactivation were studied to alleviate the side effects of hydrolysate inhibitors
Subject: Fermentação alcoolica
Hidrolisados
Etanol 2G
Bagaço de cana
Cana-de-açúcar
Editor: [s.n.]
Citation: YAMAKAWA, Celina Kiyomi. Avaliação da fermentação alcoólica com reciclo de células de hidrolisado celulósico de bagaço de cana-de-açúcar em unidade integrada e autônoma. 2016. 1 recurso online (267 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/325726>. Acesso em: 31 ago. 2018.
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEQ - Tese e Dissertação

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