Bioetanol

Bioetanol

1. Materia prima

   • Açúcares
     • cana de açucar
       • 1°Geração
         • Utilizado o caldo da cana após a moagem, fermentação e destilação para geração do etanol. Problema enfrentado no canavial é o brotamento da flor, podendo ser facilmente resolvido com o monitoramento da plantação.
       • 2°Geração
         • O Problema industrial enfrentado no processo está nos impactos ambientais gerados pelos resíduos e quebra eficiente da lignina o que pode ser resolvido usando o processo DHR.
           • Utilizando o bagaço da cana como materia prima fazendo o processo de pré-tratamento para a retirada da lignoleculose. A tecnologia DHR emprega um solvente orgânico: etanol-água (70:30) e ácido sulfúrico diluído como catalisador. O solvente desestrutura a forte matriz cristalina do complexo celulose-hemicelulose-lignina. A hemicelulose hidrolisa rapidamente a pentose, a lignina dissolve-se no solvente, ficando a celulose exposta à hidrólise ácida, que agora transcorre rapidamente (5-15 minutos) a 170-190ºC e 20-25 bar. O licor é imediatamente resfriado por evaporação flash, impedindo as reações secundárias de decomposição dos carboidratos e, em sequência, submetido a uma destilação para recuperar e retornar o etanol ao processo. A lignina separa-se durante a deflegmação e o licor final, contendo os açúcares redutores, é recuperado, clarificado e conduzido à Destilaria, para ser fermentado com os mostos açucarados.
       • Composição de açúcares
         • Açucares predominantes
           • Sacarose
         • Açucares redutores
           • Glicose
           • Frutose
     • Melaço
     • Frutas
     • Sogro Sacarino
     • Beterraba
     • Fermentescíveis
       • Monossacarídeos
     • Não diretamente fermentecíveis
       • Dissacarídeos
   • Parâmetros importantes
     • Teor de água
     • Composição de açúcares
     • Teor de macro e micronutrientes
     • Teor total de sais
     • Fatores de crescimento
     • pH e poder-tampão do substrato
     • Presença de microrganismos potencialmente competidores do agente da fermentação
     • Teor de sólidos insolúveis
     • Presença de compostos tóxicos ou inibidores
   • Amido
     • Grãos
       • milho
         • Com a sua matéria prima em destaque sendo o amido sendo convertido em açúcar através da sacarificação (via hidrólise).
           • As suas dificuldades na indústria brasileira está nos professos de produção e safra.
             • Safra: Podendo ser plantada entre safras da cana-de-açúcar para obter melhor aproveitamento do solo.
             • Produção: Ao invés de fazer o processos de sacarificação de hidrólise separado, opta pelos método de realização conjunta pois o seu desenvolvimento escala industrial foi eficiente na indústria de etanol de farinha de babaçu no norte do país.
       • Trigo
       • Cevada
     • Turbéculos
       • Mandioca
       • Batata, batata doce
   • Lignocelulósicos
     • Resíduos agroflorestais
       • Bagaço da cana e resíduos de amido
         • Celulose e a hemicelulose
           • convertidas em açúcares via hidrólise
             • Fermentação dos açúcares de cinco carbonos
     • Lixívia
     • Gramíneas

2. Contexto brasileiro

   • Criação
     • O Proálcool (Programa Nacional do Álcool) consistiu em uma iniciativa do governo brasileiro de intensificar a produção de álcool combustível (etanol) para substituir a gasolina. Essa atitude teve como fator determinante a crise mundial do petróleo, durante a década de 1970.

3. Preparo de fermentaçao

   • Preparo do meio
     • Preparo e correção de mostos
       • Está etapa do processo esta em escolher qual tipo de mosto se adequa melhor ao processo fermentativo de acordo com a meteria prima.
         • Cana-de-açucar
           • Caldo
             • Rico em sacarose e em açúcares redutores
             • Convenientemente diluído para sofrer a fermentação alcoólica
           • Melaço
             • Diluição: modo contínuo
               • Mostos muito diluídos.
                 • Preparo do mosto com o melaço enfrenta problemas em sua concentração e ocorrência de infecções afetando a fermentação, portanto o processo mais conveniente seria o mosto de caldo para a cana de açúcar cujo o processo de clarificação facilita todo o processo, e ameniza os problemas nas indústrias de limpeza das colunas de destilação.
               • Mostos muito concentrados
           • Misto
   • Preparo do inóculo e sua propagação
     • Está etapa é realizada em pequenas quantidades, onde uma cultura pura é inoculada diretamente no meio, em condições ótimas para seu crescimento. Depois do crescimento inicial, o mosto é levado a grandes dornas ou fermentadores.
       • Ambas as condiçoes devem ser observadas com cuidado pois o preparo no inoculo esta na escolha da levedura correta para ocorrer a fermentação e os problemas industriais que ocorrem na sua propagação podem ser a contaminação do mosto, podendo ser facilmente resolvido com o monitoramento do processo

4. Tratamentos

   • Químicos
     • Hidrolise ácida
       • A hidrólise ácida é usada para a separação da lignina. porém com a utilização de ácidos fortes geram subprodutos prejudiciais à etapa seguinte de fermentação e demandam equipamentos mais resistentes e caros. Para amenizar os problemas enfrentados nas industrias cabe utilizar o processo de explosão a vapor por ser menos agressivo e mais eficiente para separação dos compostos.
         • Ou optar pelo processo de hidrólise enzimática
       • Processo de hidrólise
         • Lignina
         • Hemicelulose
           • quebrada nos seus monômeros constituintes
             • Hexoses
               • Facilmente fermentadas por Sacharomyces cerevisae
             • Pentoses
               • Não são facilmente fermentadas por Sacharomyces cerevisae
                 • Entretanto a pesquisa da Universidade Federal de Minas Gerais com a levedura isolada Candida tropicalis HB61 d apresentou melhor resultado em relação à eficiência de consumo das pentoses, com produção de etanol, a partir da biomassa lignocelulósica.
   • Físicos
     • Trituramento
     • Água quente
     • pirólise
   • Pré-tratamento
     • Remover a lignina e hemicelulose
     • Reduzir a cristalinidade da celulose
     • Aumentar a porosidade do material.
   • Biológico
     • hidrólise enzimática
       • enzimas
         • Endoglicanases
         • Exoglicanases
         • β-glicosidases
     • Para aprimorar as plantas industriais e diminuir os custos, tem-se procurado por linhagens de leveduras com características diferentes, como as chamadas leveduras floculantes que espontaneamente se juntam e formam flocos após converter açúcar em etanol, concentrando-se no fundo dos reatores, melhorando a etapa de centrifugação. A empresa Prozyn desenvolveu um linha FlocoMax, compostas por enzimas que agem diretamente na parede celular das leveduras.
   • Físico-Químicos
     • Explosão a vapor
       • Os processos de moagem, irradiação e extrusão promovem desvantagens de elevado gasto energético e não promovem a extração da lignina, como resolução do problema após a moagem fazer a extração da lignina com o processos de hidrólise enzimática.
     • Explosão de fibra com amoniaco
     • Explosão com CO2

5. Microorganismos

   • Leveduras
     • Saccharomyces cerevisiae
       • Amplamente utilizada nos processos de fermentação etanólica, devido seus aspectos bioquímicos vantajosos, a etapa que se encaixa na indústria é o preparo do inóculo e sua propagação.
         • Para os processos de fermentação terem o máximo de eficiência houve o desenvolvimento da técnica do “genome shuffling” para combater os desafios industriais no monitoramento do ambiente para não perder ou adicionar mais leveduras no mosto. A técnica consiste em misturar todo o genoma para melhorar fenótipos de leveduras industrialmente desejáveis sem o conhecimento dos determinantes genéticos. Usando esta técnica, é possível obter linhagens valiosas que podem tolerar condições ambientais severas, tais como alta concentração de açúcar, temperatura elevada e produtos tóxicos e inibidores de fermentação.
           • O experimento da técnica buscou-se explorar o material genético de 3 linhagens de Saccharomyces cerevisiae (CAT-1, PE-2 e SA-1), selecionadas de ambiente industrial de produção de etanol, e com grande capacidade de implantação nas destilarias. Estas linhagens se mostram extremamente tolerantes a estresses quando comparadas com outras igualmente empregadas pela indústria. Coincidentemente a capacidade de sobrevivência e implantação nas destilarias é marcadamente mais elevada para as linhagens CAT-1, PE-2 e SA-1 (BASSO et al., 2008). Dessa forma tais linhagens foram esporuladas e os haplóides resultantes foram empregados para gerar uma diversidade genética, a partir da qual se pretendeu selecionar variantes com tolerância para a fermentação alcoólica com alto teor de etanol.
   • Bactérias
     • Zymomonas mobilis
       • Ainda não possui utilização escala industrial para saber os seus problemas apenas que possui uma pequena faixa de tipos de substrato, mas as pesquisas sobre a sua produtividade de etanol da Z. mobilis é bem alta, podendo ser cinco vezes maior do que a da S. cerevisiae. Outras vantagens da Z. mobilis na produção de etanol são: tolerância a altas concentrações de açúcares, baixo custo de produção e a habilidade de fermentar açúcares a baixo pH, pois é tolerante à ácido, podendo fermentar numa faixa de pH 3,5 a 7,5

6. Fórmula Molecular

7. Fermentação

   • Fermentação alcoólica
     • Formas de condução
       • O processo de fermentação alcoólica industrial é caracterizado por um intenso reciclo das células de leveduras, com constante exposição a baixos valores de pH tanto no mosto quanto no pré-fermentador. Isto induz um constante estresse ácido que leva a diminuição da viabilidade celular no processo. Para resolver esse problema o melhoramento geneticos de leveduras como a saccharomyces cerevisiae e Kluyveromyces marxianus estão sendo realizados em laboratórios e levados para as indústrias.
     • Aspectos bioquícos
       • Por consistir na transformação do açúcar em etanol envolvendo 12 reações em sequencia ordenada se o ambiente não for mantido de forma adequada o produto em formação final pode ser outro, problema enfrentado na indústria pode ser resolvido com melhor controle do ambiente.
   • Fermentação láctica
   • Fermentação acética
   • Bioprocessos
     • Batelada simples
     • Batelada alimentada
     • Contínuo

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