Produção de bioetanol numa lógica de economia circular

Abstract

O bioetanol é o combustível de origem biológica produzido em maior escala. Contudo, devido a ser frequentemente produzido a partir de culturas agrícolas, interferindo na cadeia alimentar humana, a sua sustentabilidade tem sido questionada. Neste sentido, a produção de bioetanol de segunda geração a partir de biomassa lenhocelulósica (LCB) apresenta-se como uma alternativa promissora. Além de ser uma matéria-prima abundante e barata, a maioria dos resíduos agrícolas, florestais e industriais são ricos em LCB, que é composta por quantidades variáveis de celulose, hemiceluloses e lenhina. A celulose e as hemiceluloses são fontes de açúcares fermentáveis, como a glucose que pode ser facilmente convertida em etanol por via biológica. Apesar de todas as vantagens, a sua produção em larga escala requer um elevado investimento. A indústria da pasta e do papel contribui significativamente para a economia portuguesa. O processo Kraft é um dos mais utilizados para separar a lenhina da celulose e, por esta razão, pode ser considerado um possível pré-tratamento para a produção de bioetanol a partir da LCB. A produção de pasta pelo processo Kraft inclui muitas das unidades processuais necessárias à produção de etanol, podendo este processo ser facilmente integrável numa indústria de pasta e papel. Por fim, é necessária uma hidrólise enzimática das pastas que permite a conversão dos polissacarídeos em monossacarídeos que podem fermentados por Saccharomyces cerevisiae produzindo-se etanol. O principal objetivo deste trabalho consistiu no estudo da produção de bioetanol a partir de hidrolisado enzimático de pasta Kraft não branqueada obtida a partir de aparas de madeira de Eucalyptus globulus e fornecidas pela Navigator. Neste sentido, realizaram-se ensaios em Erlenmeyer (500 mL) para estudar a influência da velocidade de agitação (180 e 250 rpm), do volume útil de fermentação (200 e 300 mL) e do diâmetro do filtro de ar dos Erlenmeyers (3,6 e 4,5 cm) na produção de bioetanol. Por fim, realizaram-se dois ensaios em biorreator de 5 L para estudar a influência do modo de operação, descontínuo e alimentação escalonada, na eficiência da fermentação. Perante os resultados obtidos, concluiu-se que a gama de valores em que foram testadas as três variáveis referidas nos ensaios em Erlenmeyer, não tiveram um impacto significativo na produção de etanol, contrariamente ao que seria expectável. Relativamente aos ensaios em biorreator, o melhor resultado obteve-se com o reator em alimentação escalonada obtendo-se uma concentração máxima de bioetanol de 91,1 g.L-1 e uma eficiência de fermentação de 79,2%. Concluindo, os resultados deste trabalho podem ser considerados um contributo para a potencial integração da produção de bioetanol numa futura biorrefinaria a implementar numa indústria da pasta e papel com base no conceito de economia circular. No futuro, pretende-se estudar a viabilidade de utilização de pastas de baixa qualidade e de resíduos agroflorestais

Bioethanol is the biofuel produced at the largest scale. However, since it is mainly obtained from crops belonging to the human food chain, sustainability of bioethanol production has been questioned. In this regard, the second generation bioethanol produced from lignocellulosic biomass (LCB) constitutes a promising alternative. LCB is an abundant and cheap raw material, since it the main component of most of the agricultural, forestry, and industrial residues. LCB is composed of variable amounts of cellulose, hemicelluloses, and lignin, depending on its source. Cellulose and hemicelluloses are a source of sugars, mainly glucose that can act as substrate for the biological production of ethanol. Despite all advantages, bioethanol production from LCB at large-scale requires a high capital investment. The pulp and paper industry contributes significantly to the Portuguese economy. Kraft pulping process is the most widely used to separate lignin cellulose. For this reason, Kraft process can be considered as a possible pretreatment of LCB for bioethanol production. In this way Kraft process includes many of the processual units required for the production of ethanol, allowing the integration of the later process in a biorefinery to be established in a pulp and paper industry. Finally, an enzymatic hydrolysis of pulps that converts polysaccharides into monosaccharides is required in order to obtain sugars that will be fermented by Saccharomyces cerevisiae to produce ethanol. The main objective of this work was to study the production of bioethanol from enzymatic hydrolysate of unbleached Kraft pulp of wood chips of Eucalyptus globulus, supplied by Navigator. In this regard, fermentation assays were performed in Erlenmeyer flasks (500 mL) using the enzymatic hydrolysate obtained from unbleached Kraft pulp in order to study the influence of the agitation rate (180 and 250 rpm), working volume (200 and 300 mL) and aeration filtering area in the bioethanol fermentation production (3,6 and 4,5 cm). Finally, two assays were carried in 5L bioreactor to study the influence of operation mode, batch and fed-batch, on fermentation efficiency. According to the obtained results, the range of values in which the three variables were studied did not have a significant impact on bioethanol production performed in Erlenmeyer, contrary to what would be expected. In relation to the bioreactor assays, the best results were obtained for fed-batch with a maximum bioethanol concentration of 91.1 g.L-1 and a fermentation efficiency of 79.2%. Concluding, the results of this work can contribute to the integration of a biorefinery in the pulp and paper industry. In addition, since the hydrolysate used in the assays can be obtained from unbleached Kraft pulps it supports the concept of the circular economy. In the future, the feasibility of using the low-quality raw material and the agroforestry residues should be studied