Alternativas de hidrólise enzimática e fermentação em reatores de coluna para aplicação em biorrefinarias integradas de primeira e segunda geração empregando bagaço de cana-de-açúcar: dos experimentos em laboratório à avaliação de viabilidade econômica

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Ramos, Lucas
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Análise econômica; Column reactor; Economic assessment; Enzymatic hydrolysis; Etanol de segunda geração; Hidrólise enzimática; Reator de coluna; Second generation etanol; Simulação de processos; Simulation of processes
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/97/97131/tde-28112019-155033/

Visando à viabilização da produção industrial do etanol de segunda geração, é fundamental o desenvolvimento de alternativas de processos e biorreatores susceptíveis de aplicação em larga escala. Neste contexto, propôs-se o uso de reatores de coluna para as etapas biológicas do processo de obtenção de etanol 2G a partir de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por sulfito alcalino. Foram avaliadas configurações de fermentação/cofermentação em separado (SHF/SHCF) e simultâneas (SSF/SSCF). No processo SHF/SHCF, na etapa de hidrólise enzimática conduzida em reator de leito fixo, empregou-se planejamento de experimentos para determinar a influência de variáveis importantes. A realização da hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado em reator de coluna com vazão de recirculação da solução contendo enzimas de 22,7 mL/min e 12,5 % de carregamento inicial de sólidos no reator, resultou na hidrólise de 81% da glucana e 74% da xilana presentes no material. Experimentos adicionais empregando diferentes carregamentos de sólidos em frascos Erlenmeyer e no reator demonstraram que, na coluna com leito fixo, além da inibição por produto observada nos frascos, efeitos de limitação de transferência de massa resultaram na redução do rendimento de hidrólise da glucana em processo com elevados teores de sólidos. Na etapa de fermentação/cofermetação do hidrolisado obtido, foi avaliada a vazão de aeração no reator de coluna de bolhas (0,3-0,5vvm), sendo utilizadas as leveduras Saccharomyces cerevisiae IR2 e Scheffersomyces stipitis NRRL-Y7124 para produção de etanol. O melhor desempenho de fermentação (fator de rendimento em produto, Yp/s, de 0,40 ± 0,02 gg-1 e produtividade volumétrica, Qp, de 1,58 ± 0,04 gL-1h-1) e co-fermentação (Yp/s de 0,31 ± 0,01 gg-1 e Qp de 0,64 ± 0,015 gL-1h-1) em batelada simples foi obtido utilizando a aeração de 0,5 vvm. Com esta aeração, foi realizado o reciclo de células para a condução das fermentações em bateladas repetidas, melhorando a performance no processo SHCF realizado com a levedura S. stipitis. No processo SSF/SSCF, as leveduras S. cerevisiae e S. stipitis foram aclimatizadas para condução do processo a 40º C em reator de coluna de bolhas utilizando 9 % de carregamento de sólidos com diferentes vazões de aeração (0,3-0,5 vvm). As máximas concentrações de etanol obtidas neste caso foram 18 g L-1 e 16 g L-1, respectivamente, empregando as leveduras S. cerevisiae e S. stipitis, em 72h de processo com aeração de 0,5 vvm. Finalmente, o trabalho experimental realizado foi complementado com estudos de simulação e avaliação econômica de diferentes cenários de biorrefinarias integradas 1G2G de produção de etanol e eletricidade. As simulações, nas quais se empregaram dados de rendimento de hidrólise obtidos nos reatores de coluna nas etapas experimentais do trabalho, foram realizadas com auxílio do pacote computacional Aspen Plus® e forneceram informações para a avaliação econômica, na qual se utilizaram ferramentas da Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar (BVC). Foram avaliados diferentes cenários considerando diferentes teores de sólidos (9 e 14%) e tempos de hidrólise enzimática (8 e 24h), simulando-se processos considerando fermentação de glicose ou cofermetação de pentoses e hexoses. O menor custo do etanol 2G foi de R$3,08 por litro de combustível, sendo observada para o cenário de fermentação de C6, hidrólise de 24 horas e 9 % de carregamento de sólidos no reator. A TIR (taxa interna de retorno) obtida para os cenários avaliados foi menor que a TMA (taxa mínima de atratividade) em todos os casos, indicando a necessidade de avaliação futura de alternativas como a inclusão de outros produtos na biorrefinaria, incluindo, por exemplo, os lignossulfonatos.