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Title in Portuguese: Produção de etanol por sacarificação e fermentação simultânea da fibra de caju pré-tratada com peróxido de hidrogênio alcalino
Author: Correia, Jessyca Aline da Costa
Advisor(s): Rocha, Maria Valderez Ponte
Co-advisor(s): Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Keywords: Engenharia química
Etanol
Caju - Fibras
Batch
Fed - batch
Cashew apple fiber
Ethanol
Issue Date: 9-Jun-2017
Citation: CORREIA, J. A. C. Produção de etanol por sacarificação e fermentação simultânea da fibra de caju pré-tratada com peróxido de hidrogênio alcalino. 2017. 103 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017.
Abstract in Portuguese: Nesse trabalho estudou-se a produção de etanol a partir da fibra de caju pré-tratamento com peróxido de hidrogênio alcalino (FC-PHA) através do processo de Sacarificação e Fermentação Simultâneas (SSF). Inicialmente avaliou-se os efeitos da carga de sólidos (4,52, 6,79, 9,05 e 10,0 gFC-PHA/100 ml) e da temperatura (37, 40, 45 e 50 °C) nos processos de SSF em batelada, utilizando a levedura Kluyveromyces marxianus ATCC36907 (5 g/L) e o complexo enzimático Cellic CTec 2 (30 FPU/gFC-PHA). Os experimentos foram conduzidos em Erlenmeyers de 250 mL com 100 mL de meio SSF (tampão citrato de sódio 100 mM a pH 4,8; suplementado com 1 g/L de extrato de levedura e 1 g/L de sulfato de amônio), 150 rpm por 72 h. Em seguida foram avaliados os efeitos da etapa de pré-hidrólise no processo de SSF. Dois tempos de pré-hidrólise (12 h e 24 h) foram avaliados. Realizou-se um estudo do efeito da alimentação com substrato (FC-PHA) no processo de SSF. Foram avaliadas dez estratégias de alimentação. Um estudo de cargas enzimáticas (30 FPU/gFC-PHA, 25 FPU/gFC-PHA, 15 FPU/gFC-PHA e 10 FPU/gFC-PHA) foram avaliados, visando uma economia no processo antes de aumentramos a escala para um biorreator. Os ensaios foram realizados em Biorreator de 1L, com 750 ml de meio reacional, utilizando carga enzimática de 15 FPU/ gFC-PHA. No presente trabalho, a lignina foi extraída do licor obtido após o pré-tratamento com peróxido de hidrogênio e caracterizada. Resultados mostraram que com uma carga de 10% (FC-PHA) e SSF realizada a 45 °C foi possível um rendimento em etanol de 83,84%, correspondendo a 21,0 ± 0,48 g/L de etanol. No entanto, a adição da etapa de pré-sacarificação, visando um aumento na produção de etanol, influenciou negativamente na produção de etanol, correspondendo a rendimentos de 66,54 % e 60,23 %, para PSSF (12 h e 24 h), respectivamente. Os processos de SSF até então estudados, mostraram uma dificuldade no aumento da carga de sólidos devido a elevada capacidade higroscópica apresentada pelo FC-PHA. Com isto, realizou-se SSF em batelada alimentada avaliando dez estratégias de alimentação e obteve-se uma maior concentração de etanol (29,7 ± 0,84 g/L) após 48 h de processo no ensaio com alimentação de 10 % (FC-PHA) no início do processo e 4 % (FC-PHA) após 24 h. Os estudos de produção de etanol utilizando diferentes cargas enzimáticas não apresentaram diferenças significativas para os ensaios com 30 e 15 FPU/gFC-PHA. Portanto, seguiu-se para os ensaios em biorreator utilizando carga de enzima de 15 FPU/gFC-PHA. A produção de etanol em batelada em biorreator com 10 % (FC-PHA) apresentou resultado menor quando comparado ao ensaio realizado em mesa agitadora, com redução de 18,48 % no rendimento em etanol. Estratégias de alimentação foram também avaliadas no processo de produção de etanol em biorreator com produção de 21,71 ± 0,07 g/L) após 48h de fermentação e eficiência de apenas 61,92 %. Ensaios realizados demonstraram que a fibra de caju pré-tratada com peróxido de hidrogênio alcalino pode ser aplicada no processo de produção de etanol por SSF em batelada alimentada e a lignina extraída do licor negro obtido após o pré-tratamento apresentou características semelhantes às citadas na literatura.
Abstract: This work studies the ethanol production from cashew apple fiber pretreated with alkaline hydrogen peroxide (FC-PHA) by a Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF). The effects of solids loading (4.52, 6.79, 9.05 e 10.0 gFC-PHA/100 ml) and temperature (37, 40, 45 e 50 °C) in batch SSF processes were evaluated. These experiments were realized with Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 (5 g/L) and enzymatic complex Cellic CTec 2 (30 FPU/gFC-PHA) in Erlenmeyers of 250 ml with 100 ml of SSF medium (sodium citrate buffer 100 mM pH 4.8, supplemented with 1 g/L yeast extract and 1 g/L ammonium sulfate) at 150 rpm for 72 h. Then, prehydrolysis effects in SSF process were evaluated. Two prehydrolysis times (12 h and 24 h) were studied. It was the on study effect ten feeding strategies were investigated for fed-batch SSF mode operation. A study of enzyme loading (30 FPU/gFC-PHA, 25 FPU/gFC-PHA, 15 FPU/gFC-PHA e 10 FPU/gFC-PHA) was carried out in order to obtain an economic process in large scale process. The ethanol production wasalso performed in 1L Bioreactor with 750 ml of medium and using 15 FPU/ gFC-PHA of enzyme loading. This work also presents the characterization of lignin obtained from the liquor resulting from the pretreatment of cashew apple fiber with alkaline hydrogen peroxide. Results showed that batch-SSF report in an ethanol yield of 83.84 % and an ethanol concentration of 21.0 ± 0.48 g/L in processes conducted at 45 ºC and 10 % of solids loading (FC-PHA). However, the addition of prehydrolysis stage prior to Batch-SSF did not improve the ethanol yields that were 66.54 % and 60.23 % for PSSF 12 h and 24 h respectively. The hygroscopic property of FC-PHA does not allow the increasing of solids loading in the SSF processes. Therefore, ten strategies was study and the maximum ethanol production was29.7 ± 0.84 g/L after 48 h of fermentation obtained with the solid feeding of 10% FC-PHA at the beginning of the processes supplemented with 4% FC-PHA after 24 h. The study of ethanol production using different enzymatic charges does not show any significant differences on experiments with 30 e 15 FPU/gFC-PHA. Therefore, it was followed for bioreactor assays the enzyme loading of 15 FPU / gFC-PHA. Batch ethanol production in bioreactor with 10% (FC-PHA) showed an ethanol yield decrease of 18.48%. Feeding strategies were also evaluated in a bioreactor with ethanol production of 21.71 ± 0.07 g/L after 48h of fermentation and an efficiency of 61.92%. The same experiment was reproduced in shaker and showed an ethanol production 26.88% higher. The results indicate that the cashew apple fiber pretreated with alkaline hydrogen peroxide could be used as substrates for ethanol production in fed-batch SSF and the extracted lignin from black liquor generated during the pretreatment showed characteristics similar to those cited in the literature.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/28385
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