Processo de produção de etanol de segunda geração

1.2.13.1 Aspectos gerais sobre o etanol de segunda geração

A escassez mundial de energia tem direcionado, em todo o mundo, pesquisas para a utilização de recursos renováveis ainda não utilizados na sua totalidade. A biomassa vegetal é um dos recursos renováveis de grande potencial para obtenção de energia e commodities sendo a celulose o principal constituinte e seu produto de hidrólise, a glicose, pode ser usado para produção de etanol via processo fermentativo (Lynd et al., 2002; Ohgren et al., 2006;

Sassner et al., 2006; Jafari et al., 2011; Zhao et al., 2011; Vancov et al., 2012; Choi et al., 2012; Zhang et al., 2013).

O etanol pode ser produzido a partir de amido, mais notavelmente do amido de milho, e das fontes de sacarose como beterraba e cana-de-açúcar. Entretanto, limitações territoriais na capacidade de produção de etanol e a competição com a produção de alimentos farão com que materiais lignocelulosicos como, palha de milho, gramíneas e madeiras, sejam utilizadas como fonte de carbono para produção em larga escala deste combustível (Bommarius et al., 2008).

De acordo com Bommarius et al. (2008) para a produção de etanol a partir de material lignocelulosico, existem duas etapas que antecedem a fermentação alcoólica, são elas: (i) pré- tratamento do material e (ii) hidrólise enzimática da biomassa vegetal pré-tratada.

Segundo Soccol et al. (2010) se 50% do bagaço de cana no Brasil for usado para produção de etanol, pode-se obter até 4.000 L a mais por hectare de cana plantada tornado o rendimento em 10.000 L de etanol por hectare.

1.2.13.2 Produção de etanol de segunda geração por sistema HFS e SFS

Desde finais da década passada vem-se discutindo a ideia de centralizar os processos de produção de químicos em complexos industriais, conhecido inicialmente como engenharia de “Biocommodities”, a ideia foi aperfeiçoada e se tornou num conceito, o atual de biorrefinaria (Garzon, 2009). Desde aquela época era reconhecido que o maior impedimento para uma aplicação global em grande escala deste conceito era a ausência de tecnologias de processamento de baixo custo (Lynd et al., 1999), reconhecendo também que a fonte deste custo era consequência da matéria-prima, da sua disponibilidade e mais ainda, de sua adequação. A primeira abordagem visando uma redução dos custos de produção foi feita baseada na integração e, principalmente, na intensificação de processos. Foi assim que se estabeleceu que um bioprocesso consolidado da biomassa necessitaria incluir etapas de produção de enzimas, hidrólise e fermentação e deveria ser feito em uma única unidade sob a ação de uma ou várias populações de micro-organismos. Projetaram-se então os denominados Sistemas de Conversão Microbiana Direta (Figura 1.13) (Garzon, 2009).

Figura 1.13 – Evolução do conceito de processamento consolidado na Engenharia de

Biocommodities. HFS: hidrólise e fermentação separadas, SFS: sacarificação e fermentação

simultâneas, SCFS: sacarificação e co-fermentação simultâneas, BPC: bioprocessamento consolidado.

A celulose pode ser hidrolisada, por enzimas celulases, em glicose e esta pode ser fermentado para produzir etanol (Yang et al., 2011) em um processo com duas etapas denominado Hidrólise Enzimática e Fermentação Separada (HFS). Entretanto, estes dois processos podem ser realizados em uma só etapa denominada de Sacarificação e Fermentação Simultânea (SFS) (Vasquez et al., 2007) objetivando a redução de tempo e energia, diminuído custos de processo.

Os processos em SFS têm, geralmente, um menor tempo de operação e por consequência, uma maior produtividade, mas em relação ao maior rendimento, depende do caso a ser estudado (Shen & Agblevor, 2010). A combinação das duas etapas resulta em um menor custo e reduz o risco de contaminação por outros micro-organismos devido ao etanol encontrado no meio de fermentação (Ohgren et al., 2007). As temperaturas dos processos de hidrólise enzimática e fermentação alcóolica são diferentes, portanto, estudos de otimização precisam ser realizados a fim de se encontrar as melhores condições de operação para o processo SFS (Ohgren et al., 2007). O sistema SFS apresenta a vantagem de se consumir

todos os açúcares presentes no meio (glicose e xilose), ou pelo menos a glicose, diminuindo ou eliminando a inibição causada pelo produto formado durante a hidrólise enzimática. Soderstrom et al. (2005) estudaram os sistemas SFS e HFS usando madeira conífera pré- tratada por vapor e verificaram um melhor rendimento no processo SFS. Ohgren et al. (2007) também observaram um melhor rendimento do processo SFS em comparação ao processo HFS quando estudaram a produção de etanol a partir de palha de milho pré-tratada por explosão a vapor usando tanto a fração líquida junto com a sólida como somente a fração sólida do material pré-tratado.

Romani et al. (2012) estudaram a produção de etanol pelo processo SFS utilizando a madeira de Eucalyptus globulus submetido a um pré-tratamento hidrotérmico. Aplicando a metodologia de planejamento experimental, os autores otimizaram as quantidades de sólidos e quantidades de enzimas no processo obtendo até 91% de etanol a partir da celulose contida na biomassa lignocelulosica. Rohowsky et al. (2012) aplicando metodologia de planejamento experimental otimizaram o pré-tratamento hidrotérmico em termos de temperatura e tempo de processo e em seguida usaram o material pré-tratado no processo SFS para produção de etanol obtendo até 53 g/L de produto final. Soares & Gouveia, (2013) estudaram a diferença na produção de etanol utilizando bagaço de cana-de-açúcar submetido ao pré-tratamento com explosão a vapor submetido ou não a uma deslignificação com NaHO. De acordo com os resultados, foi possível observar um aumento de até 733% na produção de etanol quando o bagaço explodido foi deslignificado com NaOH a 1%.

Tomas-pejo et al., (2009) estudaram o efeito de diferentes quantidades de celulases comerciais (Celluclast 1.5L FG) no crescimento da levedura Kluyveromyces marxianus CECT 10875 e a produção de etanol no processo de SFS. De acordo com os autores, em testes preliminares realizados com adição de glicose (50 g/L) no meio de cultura, foi observado um efeito negativo na taxa de crescimento microbiano e no número de células viáveis quando se usou quantidades diferentes de enzimas (2,5-3,5 FPU/mL). No entanto, a produção de etanol não foi afetada e cerca de 22 g/L de etanol, representando 86% de rendimento em relação ao rendimento teórico, foi alcançada em todos os casos, independentemente da dosagem enzimática. Em experimentos com o processo SFS sem adição de glicose, a viabilidade celular foi sempre afetada pela carga enzimática.

Erdei et al., (2013) estudaram Sacarificação e Co-fermentação Simultânea (SSCF) utilizando palha de trigo submetida ao pré-tratamento por explosão a vapor (SPWS) com e sem adição de farinha de trigo liquefeita (LWM), e a cepa de levedura TMB3400, capaz de

fermentar pentoses em etanol. O maior rendimento global em etanol, 70% (g etanol/100 g biomassa lignocelulosica), equivalendo a uma concentração de etanol de 43,7 g/L, operando em batelada, foi conseguida usando SPWS com 7,5% de sólidos insolúveis em água com adição de 1% de LWM.

Shengdong et al., (2006) estudaram o processo SFS em batelada e batelada alimentada utilizando a palha do arroz submetida aos pré-tratamentos com ácidos, álcalis, micro-ondas e peróxido de hidrogênio. Pelos resultados obtidos, 29,1 e 57,3 g/L de etanol produzido nos sistemas batelada e batelada alimentada respectivamente, pode-se observar a vantagem de se trabalhar com alimentação do resíduo durante o processo SFS.

Li et al., (2009) estudaram diferentes materiais lignocelulosicos submetidos ao pré- tratamento com ácido fosfórico e acetona para produção de etanol no processo SFS operado no sistema batelada e batelada alimentada. De acordo com os autores, baixos rendimento em etanol foi observado quando se iniciou o processo SFS com baixa carga de celulose sendo estes rendimentos aumentados, chegando a mais de 93%, quando se trabalhou com carga inicial de celulose de 10%. Já, operando em sistema batelada alimentada, foi possível obter até 56 g/L de etanol com adição de 36% de celulose ao longo do processo.