Produção de etanol de segunda geração por Spathaspora passalidarum: projeto conceitual e especificações de processo

Abstract

Frente ao cenário atual, uma preocupação com a demanda energética mundial tem levado a discussões sobre formas sustentáveis de se produzir energia. A indústria sucroalcooleira produz toneladas de resíduos anualmente. O bagaço de cana-de-açúcar é uma matéria-prima rica em açúcares, majoritariamente glicose e xilose. Alguns microrganismos são capazes de converter esses açúcares em produtos e subprodutos, como etanol e xilitol. Spathaspora passalidarum, por ser uma levedura naturalmente fermentadora de pentoses e hexoses, é capaz de converter estes açúcares nos produtos já citados. Com isso, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a possibilidade de produção de etanol de segunda geração em escala industrial, por meio da simulação de processo, baseada em dados da literatura. Também foi avaliada a capacidade de produção de xilitol. Inicialmente, determinou-se que a simulação ocorreria para uma planta que recebe 28,4 toneladas de bagaço de cana-de-açúcar por hora para o processamento. A partir disto, determinaram-se as correntes de entrada e saída das operações de pré-tratamento e evaporação para remoção de inibidores. Para as etapas de produção de inóculo, propagação e fermentação foram realizados balanços de massa, para se obter as correntes de entrada e saída, além do dimensionamento do volume dos equipamentos, baseados em dados da literatura. A propagação precisou ser realizada em quatro etapas em reatores de 10, 1.000, 100.000 e 3.200.000 L, respectivamente, para alcançar a concentração de biomassa requerida. A fermentação ocorreu em um biorreator de 1.600.000 L, com concentração inicial de açúcares redutores de 87,9 g/L. Além disso, foram calculados os tempos de propagação e fermentação, sendo estes 59,8 e 16,3 h, respectivamente. Dessa forma, a partir dos balanços de massa e dos fatores de conversão de substrato em produto obtidos da literatura, calculou-se a produção de etanol, xilitol e células. O processo resultou em 53.420 kg de etanol/dia, 20.792 kg de xilitol/dia e 90.111 kg de células/dia. Concluiu-se que o processo de produção de etanol e xilitol por S. passalidarum, utilizando açúcares de segunda geração em larga escala, é possível, porém, devido a necessidade de operar em alta densidade celular, a quantidade de biorreatores de propagação com elevados volumes mostrou-se alta. Vale ressaltar que uma posterior análise econômica do processo se faz necessária para verificar a viabilidade de implantação de tal sistema em escala industrial.

Concerns with world energy demand has led to discussions about sustainable ways to produce energy. The sugar-alcohol industry produces tons of waste annually. Sugarcane bagasse is a raw material rich in sugars, mainly xylose and glucose. Some microorganisms are able to convert these sugars into products and by-products, such as ethanol and xylitol. Spathaspora passalidarum, being a naturally pentose and hexose fermenting yeast, is able to convert reducing sugars in these products. Thus, the present work aimed to evaluate the possibility of producing second-generation ethanol on an industrial scale, through process simulation and literature data. The xylitol production capacity was also evaluated. Initially, it was determined that the simulation would be based in a plant that receives 28.4 tons of sugarcane bagasse per hour to process. From that, the inlet and the outlet streams for pre-treatment and evaporation operations were determined. For inoculum preparation, propagation and fermentation, mass balances were performed to obtain the inlet and outlet streams, in addition to the dimensioning of the volumes of the equipments. Propagation had to be carried out in four steps in reactors of 10, 1000, 100000 and 3200000 L, respectively, to achieve a suitable biomass concentration. Fermentation took place in a 1600000 L bioreactor, with an initial reducing sugar concentration of 87.9 g/L. In addition, propagation and fermentation times were calculated, which were 59.8 and 16.3 h, respectively. Thus, from the mass balances and the substrate-to-product conversion factors, obtained from the literature, ethanol, xylitol and cells production were calculated. The process resulted in 53420 kg of ethanol, 20792 kg of xylitol and 90111 kg of cells produced per day. It was concluded that the ethanol production process by S. passalidarum, using second generation sugars on a large scale, is possible, but due to the necessity of operating on high biomass concentration, the amount of propagation bioreactors with large volumes showed to be high. It is worth to emphasize that an economic assessment of the proposed process is needed to verify the viability of its implementation on industrial scale.