ÁCIDO LÁCTICO PRODUÇÃO DE ÁCIDO LÁCTICO COMO PRECURSOR DE DERIVADOS QUÍMICOS DE ALTO VALOR AGREGADO

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1 1 Workshop sobre o Estado da Arte da Tecnologia de Produção de Etanol: de Olho na Segunda Geração CTBE/CNPEM ÁCIDO LÁCTICO PRODUÇÃO DE ÁCIDO LÁCTICO COMO PRECURSOR DE DERIVADOS QUÍMICOS DE ALTO VALOR AGREGADO Betânia Hoss Lunelli EESC/Universidade de São Paulo Campinas, 18 de novembro de 2015.

2 Conteúdo Tópicos a serem abordados 1 Introdução 2 O que é o Ácido Láctico? 3 Aplicações do Ácido Láctico 4 Produção do Ácido Láctico 5 Critérios para uma Produção Eficiente

3 Introdução Ciclo de Vida do Ácido Láctico Açúcares Fermentação Ácido Láctico Extração Polimerização Cana-de-Açúcar Poliácido Láctico (PLA) Fotossíntese Produção CO 2, H 2 O Biodegradação Plásticos Biodegradáveis

4 Introdução Demanda Mundial de Ácido Láctico O ácido láctico é um dos principais derivados químicos da biomassa, tendo um papel fundamental para o futuro das biorrefinarias. Produção estimada de toneladas para 2017 (Abdel-Rahman et al., 2013). A crescente demanda por poli-ácido láctico (PLA) e solventes verdes salienta a atual produção de ácido lático por via fermentativa. Fonte:

5 Introdução Publicação de Artigos Científicos Artigos relacionados a produção de ácido láctico via fermentativa Junho 2015 Fonte: Scopus (2015) -

6 O que é o Ácido Láctico Características e Propriedades Altamente reativo devido sua dupla funcionalidade (hidroxila, carboxila). Opticamente ativo. Baixa volatilidade. Miscível em água. Biodegradável.

7 O que é o Ácido Láctico Características e Propriedades Via Redução Via Desidratação Via Esterificação Via Oxidação Fonte: Dusselier et al., 2013

8 Aplicações do Ácido Láctico Processos Industriais Indústria de Alimentos Indústria de Cosméticos Acidulante Conservante Umectante Aromatizante Clareamento da pele Regulador de ph Rejuvenescimento da pele Propício para qualidade microbiana Regulador de ph Fortificação mineral Agente anti-acne Agente anti-tártaro Indústria Química Regulador de ph Neutralizante Intermediário quiral Solvente verde Agente de limpeza Agente redução ácida Bloco Químico Indústria Farmacêutica Soluções Diálise Comprimidos Próteses Sutura cirúrgica Sistema de controle de drogas ÁCIDO LÁCTICO Poli-ácido láctico Lactato de etila Óxido de propileno Acetaldeído Ácido acrílico Ácido propanóico 2,3-pentanodiona Dilactídeo

9 Rotas de Produção SÍNTESE QUÍMICA FERMENTAÇÃO MICROBIANA Fonte Petroquímica Fonte Renovável Adição de HCN e Catalisador Hidrólise por H 2 SO 4 Acetaldeído (CH3CHO) Lactonitrila Mistura Racêmica (DL) Ácido Láctico Carboidratos Fermentescíveis Vinho Fermentado Isômeros Puros de Ácido Láctico D(-) ou L(+) Fermentação Microbiana Recuperação e Purificação

10 Escolha do Substrato Baixo custo. Baixo nível de contaminação. Alto rendimento. Baixa ou nenhuma formação de subprodutos. Disponibilidade o ano inteiro. Açúcar puro X substrato complexo?

11 Escolha do Substrato Preço da matéria-prima vs custo de processamento Com o aumento da pureza, o preço da matéria-prima aumenta, mas o custo do processo fermentativo diminui Fonte: Deloitte, 2014 (adaptado) -

12 Produção por Via Fermentativa Bactérias lácticas ou fungos. Divididas em quatro gêneros: Lactobacillus Pediococcus Leuconostoc Streptococcus

13 Produção por Via Fermentativa Lactobacillus maior gênero da espécie muito heterogêneo grande variedade de propriedades. Anaeróbias (aerotolerantes). Eficiente fermentação de carboidratos. Habilidade sintética limitada adição de vitaminas e fatores de crescimento. Tolerantes a meio ácido (ph < 5,0) e altas temperaturas (T > 40 C). Lactobacillus Homofermentativas D-glyceraldehyde-3-phosphate ácido láctico (via EMP) Heterofermentativas ácido láctico + etanol + CO2 + ácido acético

14 Rota Homofermentativa Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) GLUCOSE 2 LACTATE

15 Rota Heterofermentativa GLUCOSE LACTATE ACETATE ETHANOL

16 Seleção do Microrganismo Fonte de carbono. Metabolismo. Isomeria. Temperatura de crescimento. Tolerância a meio ácido. Alta taxa de produção (menor tempo de fermentação) Seleção do Microrganismo

17 Modo de Operação Batelada alto rendimento, baixa produtividade, inibição pelo substrato e produto. Batelada Alimentada alta concentração de produto, ciclos longos, nutrientes em excesso (inicio), baixo risco de contaminação. Contínuo ótimas condições de produção, alta produtividade, velocidade de crescimento determinada pela taxa de diluição, risco de contaminação, reduz os problemas de inibição celular.

18 Etapas de Separação e Purificação Principal problema na produção de ácido láctico por via fermentativa. Presença de inúmeras impurezas: açúcares residuais, nutrientes, ácidos orgânicos, massa celular, etc. Baixa volatilidade (destilação direta) e alta afinidade com a água. Tendência natural à reação de autoesterificação. Necessidade de desenvolvimento de um processo de Downstream eficiente e de baixo custo.

19 Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável MATÉRIA-PRIMA FERMENTADOR Remoção das células Concentração Purificação MERCADO Escolha do substrato: Critérios: Produto final e quantidade de produção. Screening de microrganismos: Critérios: Substrato, isomeria e alto rendimento. Uso de linhagens mistas? Adição de nutrientes: Critérios: Quantidade, fontes alternativas. Razão carbono/nitrogênio.

20 Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável MATÉRIA-PRIMA FERMENTADOR Remoção das células Concentração Purificação Condições operacionais: Temperatura e ph. Redução da formação de resíduos: Substituição do meio neutralizante. Modo de operação (fermentação): Batelada alimentada com pulsos e retirada de produtos. Reciclo de células. MERCADO

21 Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável MATÉRIA-PRIMA Processo descontínuo pulsado: FERMENTADOR Remoção das células Concentração Purificação MERCADO Fonte: Lunelli (2010)

22 Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável MATÉRIA-PRIMA FERMENTADOR Remoção das células Concentração Purificação MERCADO Separação e Purificação: Esterificação e hidrólise do ácido láctico. C 3 H 6 O 3 + C 2 H 5 OH C 5 H H 2 O C 5 H H 2 O C 3 H 6 O 3 + C 2 H 5 OH Remoção de ácido orgânicos contaminantes. Intensificação do Processo Destilação reativa. Catalisadores eficientes.

23 Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável Intensificação do Processo: Uso de Colunas de Destilação Reativas

24 Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável Matéria-prima Insumos Resíduos Produtos Critérios Rendimento e seletividade Capacidade de produção Consumo de energia Geração de resíduos Robustez, segurança Econômico Operações Unitárias A otimização do processo depende das inter-relações das unidades de operação.

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