Tecnologias alternativas para produção de etanol e pululana em biorrefinarias de bagaço de cana-de-açúcar empregando reatores de cavitação hidrodinâmica e sistemas de hidrólise e fermentação em simultâneo

Resumo

A produção de combustíveis de fontes renováveis está entre os tópicos de pesquisa mais importantes da atualidade. No Brasil, o desenvolvimento de processo de produção de etanol a partir de bagaço de cana-de-açúcar tem especial relevância, considerando-se a elevada disponibilidade desta matéria prima. A viabilidade econômica da produção de etanol 2G, no entanto, requer o aproveitamento integral da matéria prima em um contexto de biorrefinaria, sendo que as pesquisas atuais têm sido direcionadas à produção deste álcool a partir da glicose presente em hidrolisados celulósicos obtidos por via enzimática. A fração hemicelulósica, que pode representar até um terço da massa do bagaço, pode ser hidrolisada a pentoses, as quais podem ser convertidas a etanol ou outros produtos de maior valor agregado. Entre os produtos que podem ser obtidos de hexoses e pentoses, a pululana corresponde a um biopolímero com aplicações de interesse das indústrias alimentícia e farmacêutica. O aproveitamento dos carboidratos presentes na biomassa em bioprocessos tem sido feito empregando-se uma etapa inicial de pré-tratamento, a qual resulta em maior digestibilidade enzimática da celulose presente no material em etapa de hidrólise subsequente. Diversas alternativas têm sido estudadas e, recentemente, métodos de pré-tratamento inovadores assistidos por sistemas de cavitação hidrodinâmica foram avaliados e apresentaram resultados promissores. Experimentos iniciais realizados no Laboratório de Biopolímeros, Biorreatores e Simulação de Processos da Escola de Engenharia de Lorena/Universidade de São Paulo indicaram também que a hidrólise enzimática do material pré-tratado pode ser beneficiada se assistida por cavitação hidrodinâmica. Além disso, as etapas de hidrólise e fermentação podem ser realizadas em separado ou de forma simultânea, sendo fundamental desenvolver estudos em biorreatores susceptíveis de ampliação de escala. Recentemente, foi proposto um sistema de reatores de coluna interligados e células imobilizadas que possibilita o desenvolvimento das etapas biológicas em simultâneo, porém empregando reatores separados, o que permite o uso de condições otimizadas para cada bioprocesso. Neste contexto, propõe-se o presente projeto visando-se ao desenvolvimento de tecnologias inovadoras empregando reatores de cavitação hidrodinâmica e sistemas de colunas interligadas para obtenção de produtos de interesse em biorrefinarias de bagaço de cana-de-açúcar. Inicialmente, o bagaço de cana-de-açúcar será pré-tratado por processos oxidativos assistidos por cavitação hidrodinâmica, sendo avaliada a influência de variáveis importantes como concentração de oxidante, óxido de ferro III, pH e temperatura. O material sólido obtido no pré-tratamento será empregado como matéria-prima em processo de hidrólise enzimática catalisada por preparação comercial de celulases em reator de cavitação, sendo também neste caso avaliada a influência de variáveis como carga enzimática, razão sólido:líquido inicial e temperatura de processo. Os hidrolisados obtidos serão usados para produção de etanol e pululana em biorreatores de coluna de bolhas, empregando, respectivamente, células de Scheffersomyces shehatae e Aureobasidium pullulans. O material pré-tratado em processo assistido por cavitação hidrodinâmica será utilizado também em sistemas de hidrólise e cofermentação simultâneas, nos quais serão empregados biorreatores de coluna interligados. Destes, um biorreator será empregado para a hidrólise enzimática das frações carboidrato do material, enquanto o outro biorreator de coluna irá conter células imobilizadas de S. shehatae para produção de etanol. Alternativamente, células de A. pullulans serão empregadas neste sistema para produção de pululana. Assim, o projeto contribui com abordagens inovadoras para a viabilização de bioprocessos de interesse para aproveitamento de matérias primas lignocelulósicas, resultando na geração de tecnologia nacional relevante e sustentável. (AU)