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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-5482-7738
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Embargado
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States
Title: Produção de etanol utilizando melaço de cana-de-açúcar por Saccharomyces cerevisiae de características floculantes
Alternate title (s): Ethanol production using sugarcane molasses by Saccharomyces cerevisiae with flocculating characteristics
Author: Camargos, Cristiane Vieira
First Advisor: Santos, Líbia Diniz
First coorientator: Ribeiro, Eloízio Júlio
First member of the Committee: Freitas, Fernanda Ferreira
Second member of the Committee: Guidini, Carla Zanella
Third member of the Committee: Oliveira, Liliane Maciel de
Summary: Atualmente o Brasil é o segundo maior produtor mundial de etanol, apresentando uma posição favorável por apresentar vantagens na tecnologia de produção, como grandes áreas cultiváveis e condições climáticas favoráveis. Além disso, o Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, a qual é matéria-prima mais eficiente conhecida para a produção de etanol, sendo sua produção a partir do caldo de cana um processo bem estabelecido no país. Estes fatores, juntamente com a crescente demanda mundial por etanol, tornam o Brasil altamente competitivo na sua comercialização. O melaço, principal subproduto da indústria açucareira, apresenta elevadas concentrações de açúcares fermentescíveis, sendo por isso uma potencial matéria-prima para fins de produção de bioetanol. Com a finalidade de reduzir os custos de produção, estudos são impulsionados na direção de encontrar leveduras e processos alternativos que alcancem altos rendimentos e produtividades para a fermentação alcoólica. A utilização de leveduras floculantes na produção do bioetanol permite a eliminação da etapa de centrifugação, uma vez que estas leveduras são facilmente decantáveis na ausência de açúcares fermentescíveis. Adicionalmente, a tecnologia de fermentação sob alta concentração de açúcar, conduzida em batelada alimentada minimiza o efeito da inibição pelo substrato. O objetivo deste trabalho foi estudar as condições da fermentação em batelada alimentada, utilizando uma cepa de Saccharomyces cerevisiae de características floculantes em altas concentrações de melaço de cana-de-açúcar. Foi realizado um estudo da capacidade fermentativa e de floculação de quatro cepas floculantes, que resultou na escolha da cepa Saccharomyces cerevisiae C2/00, doada pelo Centro de Pluridisciplinar de Pesquisas Químicas, Biológicas e Agrícolas (CPQBA). Após a escolha da cepa foi determinado seu tempo de geração utilizando meio sintético, obtendo um valor igual a 1,071 h. Avaliou-se a influência da suplementação com os nutrientes (KH2PO4, MgSO4∙7 H2O, [NH4]2SO4 e extrato de levedura) na fermentação em batelada de meio à base de melaço de cana-de-açúcar em diferentes concentrações, obtendo a maior eficiência (85,4%) utilizando solução de melaço 30,0% v/v sem adição de nutrientes. Verificou-se também que a adição de nutrientes no meio fermentativo à base de melaço não melhora a eficiência do processo para concentrações de melaço acima de 20,5% v/v. A aeração na fermentação NG em batelada alimentada foi estudada como forma de melhorar o processo, entretanto a aeração favoreceu o crescimento celular em detrimento da produção de etanol. Posteriormente avaliou-se três fermentações, HG e VHG, com alimentação à base de melaço com concentrações diferentes de ART. O total de ART adicionado nas fermentações foi de 209, 222 e 250 g/L. A fermentação de 225 g/L de ART resultou em melhor eficiência (89,45%) com concentração final de etanol de 104,4 g/L enquanto a fermentação de 209 g/L de ART apresentou maior produtividade (2,98 g/(L.h)) dentre elas. A concentração máxima de etanol (P’máx) que a levedura C2/00 foi capaz de alcançar foi determinada, obtendo valor igual a 105,35 g/L. A partir dos dados experimentais da fermentação de 225 g/L foi proposto um modelo cinético, onde seus parâmetros foram determinados por meio do ajuste não linear dos dados. A velocidade específica máxima de crescimento foi de 0,555 h-1 com KS e KIS iguais a 2,63 e 12,437 g/L, respectivamente. Os resultados obtidos com os experimentos foram relevantes para a fermentação HG com melaço de cana-de-açúcar utilizando cepa floculante. Para aumentar a concentração de etanol final no vinho outras estratégias devem ser adotadas para que a levedura consiga suportar maiores concentrações de etanol.
Abstract: Currently Brazil is the second world's largest producer of ethanol, presenting a favorable position to present advantages in the technology of production, such as large cultivable areas and favorable climatic conditions. In addition, Brazil is the world's largest producer of sugarcane, which is the most efficient raw material known for the production of ethanol, being its production from sugarcane juice is a well-established process in the country. These factors together with the growing world demand for ethanol make Brazil highly competitive in its commercialization. Molasses, the main by-product of the sugar industry, has high concentrations of fermentable sugars, being therefore a potential raw material for the production of bioethanol. In order to reduce production costs, studies are promoted in the direction of finding yeasts and alternative processes that achieve high yields and productivities for alcoholic fermentation. The use of flocculent yeasts in the production of bioethanol allows the elimination of the centrifugation step, once these yeasts decant in the absence of fermentable sugars. Additionally, fermentation technology under high concentration of sugar, conducted in fed-batch, minimizes the effect of inhibition by substrate. The objective of this work was to study the conditions of fed-batch fermentation using a strain of Saccharomyces cerevisiae with flocculent characteristics in high concentrations of sugarcane molasses. A study of the fermentation and flocculation capacity of four flocculent strains was carried out, which resulted in the selection of the Saccharomyces cerevisiae C2/00 strain donated by the Center of Chemical, Biological and Agricultural Research (CPQBA). After the choice of the strain was determined its generation time using synthetic medium, obtaining a value equal to 1,071 h. It was evaluated the influence of supplementation with nutrients (KH2PO4, MgSO4∙7H2O, [NH4]2SO4 and yeast extract) in the batch fermentation of medium based on sugarcane molasses in different concentrations obtaining the highest efficiency (85.4%) using 30.0% v/v molasses solution without addiction of nutrients. It has also been verified that the addition of nutrients in the molasses based fermentation medium does not improve the efficiency of the process for molasses concentrations above 20.5% v/v. Aeration in the NG fermentation in fed-batch was studied as a way to improve the process, however aeration favored cell growth in detriment of ethanol production. Subsequently, three fermentations, HG and VHG, with molasses based feed with different concentrations of ART were evaluated. The total amount of ART added in the fermentations was 209, 222 and 250 g/L. Fermentation of 225 g/L of ART resulted in better efficiency (89.45%) with final concentration of ethanol of 104.4 g/L while fermentation of 209 g/L of ART showed higher productivity (2.98 g/(Lh)) among them. The maximum concentration of ethanol (P'max) that the yeast C2/00 was able to reach was determined, obtaining a value equal to 105.35 g/L. From the experimental data of the fermentation of 225 g/L a kinetic model was proposed, where its parameters were determined by means of the nonlinear adjustment of the data. The maximum specific growth rate was 0.555 h-1 with KS and KIS equal to 2.63 and 12.437 g/L, respectively. The results obtained with the experiments were relevant for HG fermentation with sugarcane molasses using flocculent strain. To increase the final ethanol concentration in the wine, other strategies must be adopted so that the yeast can withstand higher concentrations of ethanol.
Keywords: Bioetanol
Fermentação HG e VHG
Batelada alimentada
Suplementação
Bioethanol
HG and VHG fermentation
Fed-batch
Supplementation
Alimentos - Indústria
Análise por injeção em batelada
Saccharomyces cerevisiae
Levedos
Fermentação
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS BIOQUIMICOS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia de Alimentos
Quote: CAMARGOS, Cristiane Vieira. Produção de etanol utilizando melaço de cana-de-açúcar por saccharomyces cerevisiae de características floculantes. 2019. 99f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Alimentos) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.37.
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.37
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/25528
Date of defense: 22-May-2019
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