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Tese de Doutorado
DOI
Documento
Autor
Nome completo
Lucas Ramos
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Lorena, 2019
Orientador
Banca examinadora
Santos, Júlio César dos (Presidente)
Farinas, Cristiane Sanchez
Ferraz, André Luis
Rós, Patrícia Caroline Molgero Da
Título em português
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
Palavras-chave em português
Análise econômica
Etanol de segunda geração
Hidrólise enzimática
Reator de coluna
Simulação de processos
Resumo em português
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.
Título em inglês
Alternatives of enzymatic hydrolysis and fermentation in column reactors for application in first and second generation integrated using sugarcane bagasse: from experiments in the laboratory to the economic viability evaluation
Palavras-chave em inglês
Column reactor
Economic assessment
Enzymatic hydrolysis
Second generation etanol
Simulation of processes
Resumo em inglês
The development of alternatives of processes and bioreactors that can be used in large scale is fundamental for viabilization of the industrial production of second generation ethanol. In this context, the use of column reactors was proposed for the biological steps of the process for production of 2G ethanol from sugarcane bagasse using alkaline sulfite pretreatment. Separate fermentation/cofermentation (SHF/ SHCF) and simultaneous fermentation/cofermentation (SSF/SSCF) configurations were evaluated. For the SHF/SHCF process, in the enzymatic hydrolysis step conducted in a flow-throught packed bed reactor, design of experiments was used to determine the influence important variables. The enzymatic hydrolysis of pretreated bagasse in a column reactor with a flow rate of 22.7 mL/min for recirculation of the solution containing enzymes and 12.5% of initial solids loading resulted in the hydrolysis of 81% of the glucan and 74% of the xylan present in the material. Additional experiments were carried out using different solid loadings in Erlenmeyer flasks and in the reactor and showed that, in the fixed bed column, besides the product inhibition observed in flasks, effects of mass transfer limitation resulted in lower glucan hydrolysis yield in process with high solid content. In the step of fermentation/cofermentation of the obtained hydrolysate, the aeration rate in a bubble column reactor (0.3-0.5vvm) was evaluated, using the yeasts Saccharomyces cerevisiae IR2 and Scheffersomyces stipitis NRRL-Y7124 for ethanol production. The best performance for fermentation (Yp/s yield factor, 0,40 ± 0,02 gg-1 and volumetric yield, Qp, 1.58 ± 0.04 gL-1h-1) and cofermentation (Yp/s of 0.31 ± 0.01 gg-1 and Qp of 0,64 ± 0,015 gL-1h-1) in single batch operation mode was obtained using 0.5 vvm of aeration. With this aeration, cells were recycled to conduct the fermentations in repeated batches, enhancing the performance of the SHCF process carried out using the yeast S. stipitis. In the SSF/SSCF process, the yeasts S. cerevisiae and S. stipitis were acclimatized for conduction of the process at 40 ° C in a bubble column reactor using 9% of solids loading at different aeration rates (0.3 - 0.5 vvm). The highest concentrations of ethanol obtained were 18 g L-1 and 16 g L-1, respectively, using yeasts S. cerevisiae and S. stipitis, in a 72-hour process with aeration of 0.5 vvm. Finally, the performed experimental work was complemented with studies of simulation and economic evaluation of different scenarios of 1G2G integrated biorefineries for ethanol and electricity production. In the simulations, experimental data of hydrolysis yield obtained in the columan reactor in the experimental steps of the work were used. Simulations were performed aided by the software Aspen Plus® and generated information for the economic evaluation, which was carried out using tools of the Virtual Sugarcane Biorefinery (VSB). Different scenarios were evaluated considering different solids loading (9 and 14%) and enzymatic hydrolysis time (8 and 24h), simulating processes with fermentation of glucose or cofermentation of pentoses and hexoses. The lower 2G ethanol cost was R$3,08, observed in the scenario with fermentation of C6, hydrolysis time of 24 hours and 9% of solids loadind in the hydrolysis reactor. Internal Return Rate (IRR) values obtained for the evaluated scenarios were lower then Minimum acceptable rate of return MAAR in all cases, indicating the necessity of future evaluation of alternatives as the inclusion of other products in the biorefinery, as, for exemple, lignosulfonates.
 
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BIT19009_C.pdf (2.87 Mbytes)
Data de Publicação
2019-11-28
 
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