ESTIMATIVA DE ATUAÇÃO DE REATORES TIPO TORRE E BATELADA MANTIDA NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA COM LEVEDURAS FLOCULANTES

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1 ESTIMATIVA DE ATUAÇÃO DE REATORES TIPO TORRE E BATELADA MANTIDA NA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA COM LEVEDURAS FLOCULANTES Letícia dos Reis Araujo 1, Larissa Nayhara S. S. Falleiros 3. Líbia Diniz Santos 3 e Eloízio Júlio Ribeiro 2 1 Discente de iniciação científica PIBIC/ CNPQ/ UFU, discente do curso de Engenharia Química 2 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/ MG 3 Discente de Doutorado do curso de Engenharia Química 1,2,3,4 Endereço dos autores (ex: Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP ) ejribeiro@ufu.br RESUMO - O etanol como biocombustível atualmente vem ganhando grande espaço no cenário nacional e internacional. Principalmente por interesses políticos e econômicos. Mas também ecológicos. A busca por leveduras com boa capacidade fermentativa, constitui um dos aspectos mais relevantes para uma grande inovação da tecnologia da fermentação alcoólica. Neste trabalho foi estudado a fermentação alcoólica em processo contínuo com escoamento ascendente, empregando levedura floculante, em dois reatores tipo torre, ligados em série. Observou-se baixo rendimento, em experimentos com baixos tempos de residência e alta concentração de sacarose na entrada. Como também que o aumento da vazão de reciclo de célula não altera o rendimento. Os maiores valores de rendimento total foram encontrados com a concentração de sacarose de 225 g/l e os maiores valores de produtividade, nos experimentos com alta concentração de sacarose porém com menores tempos de residência. Palavras-Chave: LEVEDURAS FLOCULANTES, FERMENTAÇÃO, ETANOL INTRODUÇÃO O etanol como biocombustível atualmente vem ganhando grande espaço no cenárionacional e internacional. Principalmente por interesses políticos e econômicos. Mas também ecológicos. Tais interesses são motivados principalmente por: 1) elevados preços do petróleoe o rápido esgotamento das reservas mundiais; 2) preocupação ambiental; 3) os requisitos do Protocolo de Quioto e o Plano de Ação de Bali sobre as emissões de carbono, e 4) a oferta de mercados alternativos para os produtos agrícolas. O interesse pelo bioetanol como combustível alternativo à gasolina e também ao diesel cresce a cada dia por ser um combustível limpo e renovável (Mussato et al., 2010). Um grande avanço na produção industrial de etanol foi alcançado na década de 30,quando surgiu na França o processo Melle-Boinot (Almeida,1960). Segundo Lima (1960),até o início dos anos 60 os processos de corte e de utilização de pé-de-cuba individual(clássico) eram bastante utilizados na fermentação de melaço nas industrias brasileiras. Drews(1964) comenta que este processo após 1964 estava presente somente em destilarias de pequeno porte e estava sendo rapidamente substituído pelo processo Melle-Boinot (batelada alimentada com reciclo de células. A partir da implantação do Pró Álcool o Brasil aumentou a capacidade dos equipamentos e do rendimento, possibilitou maior aproveitamento de produtos e subprodutos da cana-de-açúcar.entretanto As tecnologias de produção de bioetanol utilizadas pelas Unidades Produtoras Brasileiras, tanto no processo fermentativo em batelada, como no contínuo, apresentam parâmetros de processo cujos valores são os mesmos há vários anos.alternativas para aperfeiçoarem a atuação da produção do setor ganham força e destaque no país. A área sucroalcooleira do nosso país espera ser um dos maiores fornecedores mundiais de álcool combustível e de procedimentos para instalação de destilarias em diversas regiões do mundo (Abarca, 2005). A busca por leveduras com boa capacidade fermentativa, com características satisfatórias em termos de tolerância a altas concentrações de açúcar e etanol, que apresentem boa velocidade de fermentação, tanto em situações de alta concentração de açúcar como de etanol, constitui um dos aspectos mais relevantes para uma grande inovação da tecnologia da fermentação alcoólica. Um aspecto importante quando o objetivo é a melhoria do processo diz respeito à fermentação alcoólica conduzida com leveduras floculantes. Este processo se torna

2 economicamente mais viável porque dispensa a etapa subsequente da fermentação, que é a centrifugação. De acordo com Xu, Zhao e Bai (2005), os investimentos de capital para aquisição de centrífugas e o consumo de energia para operação das mesmas, aumentam o custo de produção de bioetanol. A floculação das leveduras é um fenômeno de agregação celular ativa na qual células se aderem, de forma reversível, umas às outras, gerando flocos que sofrem sedimentação ou flotação. Este fenômeno pode ser gerado pela interação de diferentes espécies de bactérias (principalmente dos tipos Lactobacillus e Bacillus) e a levedura ou pela agregação de células de uma única linhagem de levedura (Parazzi, 2007). A Figura 1 mostra uma foto de células floculantes de Saccharomyces cerevisiae observadas em microscopia eletrônica de varrimento. Figura 1 - Célula floculantes de Saccharomyces Cerevisiae (Fonte DOMINGUES, 2001) As leveduras floculantes possuem maiores resistências a esses estresses ambientais, quando comparado as levedura nãofloculante (Lee et al., 2007). Possivelmente, as células presentes na camada externa dos flocos protegem as células internas dos compostos inibitórios e da concentração de etanol (Zhao e Bai, 2009), sendo a utilização das leveduras floculantes uma estratégia promissora para a produção eficiente de etanol (Zhao e Bai, 2009). Além disso, a temperatura ótima da hidrólise enzimática (50 ºC) é maior que a temperatura ótima do cultivo microbiano (30-37 ºC), sendo assim, interessante a proximidade dessas temperaturas (Ruiz et al., 2012). Comparando-se levedura floculante e outra comum em relação ao desempenho na fermentação, percebe-se que para o mesmo nível de etanol e açúcar residual no efluente, a cepa comum gasta 50% a mais de tempo requerido pela levedura floculante e a produtividade média é cerca de metade, em razão da alta concentração celular no interior do reator. Além disso, a perda da viabilidade na fermentação que utiliza leveduras floculantes é menor (XU, ZHAO, BAI, 2005). Entretanto, pesquisas ainda são necessárias para transformar esse processo em um sistema industrial rentável e robusto (BAPTISTA et al., 2006). Dessa forma além das vantagens citadas neste trabalho, o uso e a pesquisa de leveduras floculantes na fermentação da sacarose para a produção de etanol é de grande interesse. Pois possibilita várias alternativas de processos na produção de etanol, incluindo diferentes configurações de reatores que podem aumentar a produtividade. (Andrietta, Steckelberg, Andrietta, 2008) MATERIAS E MÉTODOS As leveduras USADAS no presente trabalho são linhagens de Saccharomyces cerevisiae floculantes. O Centro de Tecnologia Canavieira- CTC (Piracicaba, SP), forneceu uma cepa e o Centro Pluridisciplinar de Pesquisas Químicas, Biológicas e Agrícolas - Divisão de Biotecnologia e Processos CPQBA (Campinas, SP), forneceu cinco cepas. Todos os demais produtos e solventes serão usados em grau analítico disponíveis comercialmente, com exceção do açúcar, que será sacarose comercial (açúcar cristal). Os fermentadores tipo torre construídos para utilização neste trabalho, apresentam um volume útil de 2,5 litros e altura de 75 cm. Apresenta controle de temperatura com jaqueta de vidro, com alimentação pelo fundo do reator através de bomba peristáltica. A corrente de saída do topo do reator alimenta um sistema de decantação, do qual resulta as correntes de produto e de reciclo. Determinação do crescimento das leveduras e células contaminantes A concentração celular foi obtida por massa seca, as amostras foram retiradas do reator, lavadas com água por três vezes e filtradas a vácuo em papel de filtro, e colocadas em estufa a uma temperatura de 80 C até que sua massa permanecesse constante. A massa seca era obtida pela diferença entre a massa final e a massa do papel de filtro. A quantificação de células vivas e mortas foi realizada por contagem em câmara de

3 Neubauer. As amostras eram retiradas do reator e diluídas com solução 5 mm de EDTA em tampão citrato ph 3, mantidas nestas condições por 30 minutos para desfloculação das células, para possibilitar a contagem das mesmas(matsumoto et al., 2002). Planejamento Composto Central Para análise da interação entre as variáveis de entrada e o estudo empírico das relações entre uma ou mais respostas obtidas utilizou-se a técnica do planejamento experimental, com o qual fez-se a otimização por análise da superfície de resposta. Assim, foi necessário, primeiramente, programar ensaios por meio de um planejamento experimental em que se selecionou um número fixo de níveis para cada uma das variáveis de entrada. Então foi possível executar experimentos com todas as possíveis combinações. A concentração de sacarose variou de 191 g/l a 259 g/l, a vazão de reciclo de decantado do primeiro decantador para o primeiro reator foi de 1,6 ml/s a 8,4 ml/s e o tempo de residência de 3,3 h a 8,7 h. A vazão de reciclo de decantado do segundo decantador para o segundo reator foi mantida constante e igual a 5 ml/s. Esse valor foi definido após vários testes experimentais, de forma a manter a biomassa agitada no segundo reator.. O alfa de ortogonalidade utilizado neste planejamento experimental foi de 1,35313 e as equações de codificação para a Concentração de sacarose (S 0 ), Vazão de reciclo (V) e Tempo de residência (T) são mostradas, respectivamente, nas Equações 1, 2 e 3. X X 1 2 X 3 S V 2,5 6 T 2 (2) (1) (3) As faixas de concentração inicial de sacarose e do tempo de residência foram determinadas através de testes preliminares visando à funcionabilidade dos dois reatores e obtendo um rendimento e uma produtividade significativos. Os valores utilizados na taxa de reciclo foram determinados por testes preliminares que mostraram um bom funcionamento do sistema, visto que sem reciclo era impossível o funcionamento do mesmo, pois as células floculantes obstruíam a passagem nas mangueiras que interligavam os reatores. Na Tabela 1 podem ser vistos os valores utilizados no Planejamento experimental para as três variáveis independentes analisadas. Tabela 1 - Valores utilizados no planejamento para as três variáveis independentes. -α α S 0 (g/l) V (ml/s) 1,6 2,5 5 7,5 8,4 T (h) 3, ,7 A Tabela 2 mostra a matriz do delineamento composto central com valores codificados e originais das variáveis em estudo. Para o desenvolvimento de tal estudo, os ensaios foram realizados de forma aleatória, a fim de evitar tendenciosidade dos resultados. Tabela 2 - Matriz do DCC com valores codificados e originais das variáveis. EExperimentos X 1 (S 0 g/l) X 2 (V ml/s) X 3 (T - h) 1-1 (200) -1 (2,5) -1 (4) 2-1 (200) -1 (2,5) +1 (8) 3-1 (200) +1 (7,5) -1 (4) 4-1 (200) +1 (7,5) +1 (8) 5 +1 (250) -1 (2,5) -1 (4) 6 +1 (250) -1 (2,5) +1 (8) 7 +1 (250) +1 (7,5) -1 (4) 8 +1 (250) +1 (7,5) +1 (8) 9 -α (191) 0 (5) 0 (6) 10 + α (259) 0 (5) 0 (6) 11 0 (225) - α (1,6) 0 (6) 12 0 (225) + α (8,4) 0 (6)

4 13 0 (225) 0 (5) - α (3,3) 14 0 (225) 0 (5) + α (8,7) 15 0 (225) 0 (5) 0 (6) 16 0 (225) 0 (5) 0 (6) 17 0 (225) 0 (5) 0 (6) de dois reatores torre em série opere de forma eficiente, resultado este diferente do obtido por Viegas, 2003 que afirmou em seus experimentos que quanto menor a concentração do substrato e maior o tempo de residência maior foi o rendimento obtido no sistema de fermentadores torres em série. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados da influência simultânea da concentração de sacarose na entrada do sistema (S0), da vazão de reciclo (V) e do tempo de residência (T), definido pelo Planejamento Composto Central estão apresentados na Tabela 1. Nela estão contidos os resultados em termos de rendimento no reator 1, no reator 2, rendimento total (no sistema de reatores), produtividade no reator 1, produtividade no reator 2, produtividade total e açúcar residual na saída do sistema. Estes resultados foram determinados utilizando montagem experimental, com uma vazão de recirculação de decantado do segundo decantador para o segundo reator igual a 5,0 ml/s em todos os experimentos. Na Tabela 3 observa-se que o rendimento do Reator 1 variou de 64,2% (experimento 5, que é basicamente o mesmo rendimento do experimento 7) à média de 91,7% no ponto central. Nos experimentos 5 e 7, realizados com alta concentração de sacarose na entrada (250 g/l) e baixo tempo de residência (4h), verifica-se um baixo rendimento, possivelmente uma consequência dos baixos tempos de residência e alta concentração de sacarose na entrada. Uma análise isolada destes dois experimentos indica que os valores da vazão de reciclo não influenciaram no rendimento. O menor rendimento encontrado no Reator 2 foi no experimento 9, no qual o tempo de residência era intermediário de 6h, mas a alimentação do meio fermentativo foi a menor concentração em sacarose (191 g/l), isto implicou também em menor produtividade no segundo reator e, consequentemente, o menor valor encontrado de sacarose residual. Este fato confirma a necessidade de se trabalhar em altas concentrações de substrato para que o sistema A influência da vazão de reciclo no rendimento do reator 1 é verificada analisando os experimentos 5 e 7, nos quais a concentração de sacarose de entrada foi alta, 250 g/l e o tempo de residência baixo de 4 h, onde observa-se que o aumento da vazão de reciclo de célula não altera o rendimento. Já nos experimentos 6 e 8 nos quais o tempo de residência é alto 8 h, o aumento da vazão de reciclo implica em um aumento no rendimento do reator 1 e consequentemente no rendimento total, uma resposta condizente, pois em um baixo tempo de residência a velocidade de entrada de sacarose é alta provocando uma maior liberação de CO2 que auxilia na homogeneização do meio. Os maiores valores de rendimento total foram encontrados com a concentração de sacarose de 225 g/l (Experimento 11, 14 e pontos centrais) e os maiores valores de produtividade, que é inversamente proporcional ao tempo de residência, foram obtidos nos experimentos 1, 5 e 13. A produtividade alcançada nos pontos centrais se aproximou do máximo de produtividade obtido no estudo do planejamento e o valor de açúcar residual nos pontos centrais também apresentaram-se próximos aos mínimos de açúcares obtidos nos experimentos.

5 Tabela 3 - Matriz com os resultados obtidos para avaliar a influência da concentração Ex. Rend. Total (%) Rend. R1 (%) Rend. R2 (%) Prod.Total (get./l.h) Prod. R1 (get./l.h) Prod R2 (get./l.h) ART Residual (g/l) 1 82,8 80,5 91,5 18,98 29,24 8,72 31,2 2 87,5 85,1 93,9 11,19 15,88 6,5 10, ,5 53,4 16,18 26,32 6,04 60, ,3 88,8 86,9 11,09 16,73 5,45 13,9 5 73,1 64,2 94,6 18,93 23,48 14,37 60,5 6 79,9 76,3 91,7 10,29 14,93 5,66 61, ,9 64,3 91,9 13,51 15,3 11,72 120, ,9 89,2 91,5 16,03 25,59 6,46 26, ,8 85,3 60,3 13,33 23,93 2,73 9, ,2 71,1 92,5 14,7 20,85 8,56 40, ,7 89,2 91,5 16,03 25,59 6,46 26, , ,5 15,16 21,95 9,37 29, ,4 72,2 82,9 18,42 14,36 22,48 85, ,1 89,7 91,6 11,78 18,8 4,76 14, ,9 90,3 92,3 16,89 24,06 9,72 18, , ,8 17,37 27,57 7,18 16, , ,6 17,38 24,93 9,83 14,72 CONCLUSÃO Dessa forma observou-se baixo rendimento, em experimentos com baixos tempos de residência e alta concentração de sacarose na entrada. Como também que o aumento da vazão de reciclo de célula não altera o rendimento. Os maiores valores de rendimento total foram encontrados com a concentração de sacarose de 225 g/l e os maiores valores de produtividade, nos experimentos com alta concentração de sacarose porém com menores tempos de residência. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRIETTA, S.R.; STECKELBERG, C.; ANDRIETTA, M.G.S. Study of flocculent yeast performance in tower reactors for bioethanol production in a continuous fermentation process with no cell recycling. Bioresource Technology, v. 99, n. 8, p , ABARCA, C. D. G.; Inovações tecnológicas na agroindústria da cana-de-açúcar no

6 Brasil. COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro, DEPRO/Universidade Federalde Ouro Preto, ALMEIDA, J.R Processo de recuperação de levedura ou processo Melle-Boinott. In: SEM.ANA DA FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA; L, 1960, Piracicaba. Anais. p BAPTISTA, C.M.S.G.; CÓIAS, J.M.A.; OLIVEIRA, A.C.M.; OLIVEIRA, N.M.C.; ROCHA, J.M.S.; DEMPSEY, M.J.; LANNIGAN, K.C.; BENSON, P. S. Natural immobilisation of microorganisms for continuous ethanol production. Enzyme and Microbial Technology, v. 40, n. 1, p , DOMINGUES, L.M.A.R. Estirpes floculantes de Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificadas para utilização da lactose: construção e aplicaçãobiotecnológica. Tese (Doutorado em Engenharia Química e Biológica) - Escola de Engenharia, Universidade do Minho, DREWS, W. A fermentação do melaço de cana de açúcar no Brasil. In: SIMPÓSIO DE FERMENTAÇÃO, 1., São Paulo, Anais. p LEI, J.; ZHAO, X.; GE, X.; BAI, F.W. Ethanol tolerance and the variation of plasma membrane composition of yeast floc populations with different size distribution. J. Biotechnol. v. 131, p , MATSUMOTO, T.; FUKUDA, H.; UEDA, M.; TANAKA, A.; KONDO, A. Construction of Yeast Strains with High Cell Surface Lipase Activity by Using Novel Display Systems Based on the Flo1p Flocculation Functional Domain. Applied and Environmental Microbiology, v. 68, p , MUSSATTO, S.I.; DRAGONE, G.; GUIMARÃES, P.M.R.; SILVA, J.P.A; CARNEIRO, L.M.; ROBERTO, I.C.; VICENTE, A.; DOMINGUES, L.; TEIXEIRA, J.A. Technological trends, global market, and challenges of bio-ethanol production. Biotechnology Advances, v. 28, p , PACHECO, T. F. Fermentação alcoólica com leveduras de características floculantes em reator tipo torre com escoamento ascendente. 94 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, PAIVA, T.C.B.; SATO, S.; VISCONTI, A.E.S.; CASTRO, L.A.B. Continuous alcoholic fermentation process in a tower with recycling of flocculating yeast. Applied Biochemistry and Biotechnology, v. 58, p , PARAZZI, C. Floculação da levedura na fermentação etanólica. Universidade Federal de São Carlos Centro de Ciências Agrárias, RUIZ, H.A.; SILVA, D.P.; RUZENE, D.S.; LIMA, L.F.; VICENTE, A.A.; TEIXEIRA, J. A. Bioethanol production from hydrothermal pretreated wheat straw by a flocculating Saccharomyces cerevisiae strain Effect of process conditions. Fuel, v. 95, p ,2012. VIEGAS, M.C.; ANDRIETTA, M.G.S.; ANDRIETTA, S.R. Use of tower reactors for continuous ethanol production. Brazilian Journal of Chemical Engineering, v. 2, p , VIEGAS, M.C. Otimização de sistema de fermentação alcoólica contínua utilizando reatores tipo torre e leveduras com características floculantes. 150p. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Faculdade de Engenharia Química, Universidade Estadual de Campinas, VILLEN, R. A. Mauá: Biotecnologia Histórico e Tendências. Escola de Engenharia de Mauá, Apostila, XU, T.J.; ZHAO, X.Q.; BAI, F.W. Continuous ethanol production using self-focculating yeast in a cascade of fermentors. Enzyme and Microbial Tehnology, v. 37, p ,2005. ZHAO, X.Q.; BAI, F.W. Yeast flocculation: new story in fuel ethanol production. Biotechnol. Adv., v. 27, p , 2009.