Produção de bioetanol a partir de licor de cozimento ao sulfito ácido

2008

Mariana Fernandes

Correia

Produção de bioetanol a partir de licor de

cozimento ao sulfito ácido

2008

Mariana Fernandes

Correia

Produção de bioetanol a partir de licor de cozimento

ao sulfito ácido

Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Materiais Derivados de Recursos Renováveis, realizada sob a orientação científica do Professor Doutor. Dmitry Victorovich Evtuguin, Professor Associado do Departamento de Química da Universidade de Aveiro e da Professora Doutora Ana Barreto Xavier, Professora Auxiliar do Departamento de Química da Universidade de Aveiro

Apoio financeiro do Projecto “Biorrefinaria: Potencialidades do licor de cozimento de Eucalyptus globulus

ao sulfito ácido” com a indústria Caima, S.A. no âmbito do Projecto de Investigação Científica e Desenvolvimento Tecnológico CICECO/DQUA

o júri

presidente Prof. Doutor Armando Jorge Domingues Silvestre Professor Associado com Agregação da Universidade de Aveiro

Prof. Doutora Isabel Maria Pires Belo Professora Auxiliar da Universidade do Minho

Prof. Doutor Dmitry Evtuguin

Professor Associado com Agregação da Universidade de Aveiro

Prof. Doutora Ana Maria Rebelo Barreto Xavier Professora Auxiliar da Universidade de Aveiro

Eng. António Fernandes dos Santos Prates

agradecimentos

À Professora Doutora Ana Xavier agradeço a orientação de todo o trabalho, apoio, empenho, carinho e amizade.

Ao Professor Doutor Dmitry Evtuguin agradeço todo o apoio, ensinamento incansável e amizade.

Ao Engenheiro António Prates em representação da Caima, S.A., agradeço o apoio financeiro de toda a investigação que permitiu desenvolver um trabalho em cooperação com a indústria de grande interesse actual, assim como a cedência do licor para todo o projecto. Agradeço também o apoio financeiro para deslocamentos a congressos e a concessão da Bolsa de Investigação. À Professora Doutora Isabel Spencer-Martins agradeço toda a orientação durante o trabalho experimental, assim como a oferta das leveduras desacidificantes da Portuguese Yeast Culture Collection da qual é directora. À Dra. Mimi agradeço a ajuda incansável e orientação nas análises de HPLC. Às colegas de laboratório Sandra, Sara e Paula agradeço a orientação nas análises de GC-FID.

Aos colegas de laboratório e amigos Raquel, Ana Sofia, Rui, Nuno, Pedro, Ana Patrícia, Gisela e Catarina agradeço a amizade e ajuda durante a parte experimental do trabalho.

À Universidade de Aveiro agradeço a oportunidade de realizar esta investigação.

À minha família, pais, irmã e Hugo agradeço o apoio, incentivo, amizade e carinho que sempre demonstraram durante toda a minha formação académica e especialmente na concretização deste projecto.

palavras-chave

Bioetanol, xilose, fermentação, licor ao sulfito ácido, Eucalyptus globulus,

Pichia stipitis, Saccharomyces cerevisiae, desacidificação

resumo

O Licor de Cozimento ao Sulfito Ácido (HSSL) utilizado neste trabalho é um subproduto da indústria papeleira originado a partir do processo de cozimento da madeira de Eucalyptus globulus com ácido bissulfito. Este contém dissolvido lenhosulfonatos e produtos resultantes da hidrólise das hemiceluloses dos quais 40-45gL-1 _{são monossacarídeos, e em maioria} xilose.

A fracção de açúcares presente, pode ser usada como substrato na produção de vários compostos, nomeadamente etanol. O objectivo deste estudo é desenvolver um processo biotecnológico de produção de bioetanol a partir deste licor usando uma levedura fermentadora de pentoses, a Pichia stipitis, tendo como finalidade a produção de um biocombustível em alternativa às fontes fósseis.

A primeira parte do trabalho foi o estudo do metabolismo da Pichia stipitis

na presença de diferentes concentrações de licor e em diferentes reactores: Erlenmeyer e Biorreactor com controlo de pH. No entanto, os rendimentos e produtividades de etanol foram reduzidos devido à presença de compostos inibidores como o ácido acético (cerca de 8gL-1_{), o hidroximetilfurfural e os} lenhosulfonatos.

A segunda parte envolveu a remoção desses mesmos inibidores por diferentes métodos incluindo a desacidificação biológica com diferentes leveduras, das quais a Saccharomyces cerevisiae apresentou melhores resultados removendo todo o ácido acético em menos de 30h. A evaporação para redução de compostos voláteis e separação da fracção de açúcares usando resinas de troca iónica foram os outros dois métodos. Os melhores resultados foram obtidos usando este último com rendimento de etanol de 0,48g etanol/g açúcar consumido. Ainda na optimização do meio fermentativo foi testada uma enzima comercial para aumento dos açúcares disponíveis à fermentação, o que resultou num aumento de 30% de xilose e a glucose quase quadriplicou.

keywords

Bioethanol, xylose, fermentation, Hardwood Spent Sulphite Liquor, Eucalyptus globulus, Pichia stipitis, Saccharomyces cerevisiae, deacidification.

abstract

Hardwood Spent Sulfite Liquor (HSSL) is a waste by-product of pulp mills formed during wood delignification with bisulfite solution. HSSL contains dissolved lignosulfonates and hemicellulose hydrolysis products, which comprises 40-45 gL-1 sugars, mainly xylose.

The sugar fraction can be used as a substrate for the production of diverse products including ethanol. The objective of this study is to propose a biotechnological approach to produce bioethanol, alternative to fossil fuels, from this liquor using a xylose fermenting yeast: Pichia stipitis.

The first part of this work was to study Pichia stiptis metabolism in the presence of different HSSL concentrations and in different reactors: Erlenmeyer and Biorreactor with pH control. However, ethanol yield and productivities obtained were reduced due to presence of inhibiting compounds like acetic acid (about 8gL-1_{), hydroxymethylfurfural and} lignosulfonates.

The second part involved different detoxification methods including biological methods with different deacidificant yeasts, evaporation to reduce volatile compounds and sugar fraction separation using ion-change resins. The best results were obtained with this separation device, where the ethanol yield was maximum (0,48g ethanol/g sugar consumed). The best deacidification was reached with Saccharomyces cerevisiae allowing the total acetic acid removal during 30h. In addition to media optimization trials some enzymatic hydrolysis were also carried out and resulted in 30% xylose increase and about four times of glucose

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