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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2021.tde-04042022-142759
Documento
Autor
Nome completo
Guilherme Soares Cavalcante
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Zaiat, Marcelo (Presidente)
Barboza, Marcio Gomes
Gomes, Simone Damasceno
Okada, Dagoberto Yukio
Tommaso, Giovana
Título em português
Avaliação da produção de ácido lático a partir de manipueira e microrganismos autóctones em sistemas anaeróbios
Palavras-chave em português
Ácido lático
BA
Manipueira
RALFE
Reatores anaeróbios
Resumo em português
Ácido lático é utilizado nas mais variadas aplicações, sendo uma das principais a fabricação do ácido polilático (PLA), um polímero termoplástico, com boas características mecânicas, biocompatível e biodegradável, potencial substituto dos polímeros derivados de indústrias petroquímicas. Elevado preço de produção, caracterizada pela fermentação de carboidratos refinados por microrganismos específicos em meios esterilizados, é o limitante para tornar o PLA competitivo no mercado de polímeros. A manipueira, resíduo líquido gerado na fabricação de derivados da mandioca, é um potencial substrato para produção de ácido lático, por possuir alto teor de carboidratos simples solúveis e contar com uma cultura autóctone de bactérias produtoras de ácido lático. Nesse sentido, o objetivo geral da pesquisa foi avaliar a possibilidade de produção de ácido lático em reatores anaeróbios utilizando manipueira e sua cultura mista autóctone. Para isso, esse trabalho foi dividido em três etapas. Na primeira etapa, foi realizada uma avaliação preliminar da fermentação da manipueira bruta em ensaios em batelada. O principal objetivo foi identificar os produtos gerados na fermentação da manipueira utilizando sua composição natural. A influência da temperatura no processo também foi avaliada. A segunda etapa objetivou a identificação das condições de pH inicial e temperatura mais favoráveis para produção de ácido lático, utilizando a metodologia de superfície de resposta. Também foi realizada modelagem da cinética do processo na condição mais favorável, a fim dimensionar racionalmente o reator contínuo utilizado na etapa subsequente. Na etapa 3, um reator anaeróbio de leito fixo estruturado (RALFE) foi operado para avaliar a possibilidade de produção contínua de ácido lático utilizando manipueira bruta apenas com o ajuste do pH de alimentação. A influência da aplicação de três diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) no processo também foi avaliada. Os resultados obtidos na primeira etapa demostraram que apenas produtos associados à fermentação lática são produzidos, sendo identificados apenas ácido lático, etanol e ácido acético. A variação da temperatura influenciou o processo, com seletividades do ácido lático (SAL) diferentes para cada condição testada. A análise da superfície de resposta obtida na etapa 2 permitiu observar que a interação do pH inicial e temperatura de fermentação possui efeito negativo nas variáveis SAL e rendimento de ácido lático (YAL), ou seja: em temperaturas maiores, o aumento do pH inicial não favoreceu essas variáveis, enquanto em temperaturas mais baixas SAL e YAL foram favorecidas com o aumento do pH inicial. Comparando os valores de YAL, a condição mais favorável de temperatura e pH inicial foi pH de 4,5 e temperatura de 35 ºC, com concentração máxima de ácido lático de 200 mmol AL.L-1 no 15º dia de fermentação, SAL de 0,9 e YAL de 0,9 g DQOAL.g-1 DQOCh. Houve produção contínua de ácido lático durante toda a operação do RALFE. Cargas de carboidratos aplicada (CCha) superior a 4 g Ch.L-1.dia-1 não influenciaram na vazão mássica de ácido lático produzido, com valor da assíntota aproximado de 60 g AL.dia-1. Redução do TDH para 8 h, com entre 4 e 7 g Ch.L-1.dia-1, resultou na produção de ácido propiônico, que influenciou negativamente na SAL e YAL. Com os resultados obtidos, foi estimado que para cada tonelada de mandioca processada há o potencial de produção de 6 kg de AL. Os resultados obtidos mostram que há grande potencial de produção de ácido lático em reatores anaeróbios, utilizando apenas manipueira e sua cultura autóctone microbiana.
Título em inglês
Assessment of lactic acid production using cassava wastewater and autochthonous microrganisms in anaerobic systems
Palavras-chave em inglês
ABFSB
Anaerobic reators
Cassava wastewater
LAB
Lactic acid
Resumo em inglês
Lactic acid has a wide range of applications, one of such is the production of polylactic acid (PLA). PLA is a thermoplastic, biocompatible and biodegradable polymer with good mechanical properties, with potential to compete with other polymer made of petrochemical sources. Utilization of refined sugars by pure microorganisms in sterile media are the most important drawbacks in lactic acid production. Cassava wastewater has the potential to be a suitable substrate for lactic acid production, due to its high carbohydrates content and presence of lactic acid bacteria (LAB). The objective of this study was to assess the feasibility of lactic acid production using cassava wastewater and autochthonous microorganisms in anaerobic reactors. Three experimental phases were performed. In the first phase, a preliminary batch test was conduct to identify the products generated during the fermentation of raw cassava wastewater. Influence of temperature was also investigated. In the second phase, response surface methodology (RSM) was utilized to obtain the best temperature and initial pH conditions for lactic acid production. The kinetics of the process was modelled to assist with the sizing of the continuous reactor. On the third phase, a Anaerobic Bioreactor with Fixed-Structured Bed (ABFSB) was operated to assess the continuous production of lactic acid using raw cassava wastewater in three different hydraulic retention time (HRT) conditions. Results show that the fermentation of cassava wastewater mainly results in lactic acid, ethanol and acetic acid. Lactic acid Selectivity (SAL) was influenced by the different temperatures in phase 1. Results from the RSM indicate that 35 ºC and initial pH of 4.5 was the best condition for lactic acid yield (YAL), resulting in values of 200 mmol.L-1, 0.9 and 0.9 for maximum lactic acid concentration, SAL and YAL, respectively. Continuous lactic acid production was maintained during all ABFSB operation. CCha values above 4 g Ch.L-1.day-1 did not result in significant change in the QAL, with value of 60 g AL.day-1. TDH drop to 8 h, with CCha values between 4 and 7 g Ch.L-1.day-1, resulted in the production of propionic acid, which reduced SAL and YAL. It was estimated that each ton of processed cassava roots has the potential do produce 6 kg of LA. These results show that cassava wastewater has a great potential of lactic acid production using autochthonous microorganisms.
 
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Data de Publicação
2022-04-07
 
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