Ethanol fermentation and simultaneous liquid-liquid extraction and ethanol and inhibitors present in hydrolytic lignocellulosic biomass

Resumo: Na fermentação de produtos como etanol, utilizando biomassa lignocelulósica como matéria-prima, existem dois fatores principais que limitam a produtividade e eficiência do processo: inibição pelo produto e inibição por substâncias no caldo hidrolítico provenientes da hidrólise. Neste trabalho, é proposta a remoção simultânea de ambos os fatores para eliminar seus efeitos negativos na fermentação alcoólica. Produtos de fermentação prejudicam muitas vezes a integridade da membrana celular do micro-organismo utilizado como fermento. Portanto, a toxidez do produto não permite que a fermentação ocorra de forma ilimitada, uma vez que o produto está presente no meio em certa concentração. O crescimento do micro-organismo, a produtividade e o rendimento são prejudicados pela presença do mesmo. Compostos como furfural, hidroximetil furfural, compostos fenólicos e ácidos, que são produzidos durante o pré-tratamento ou hidrólise da biomassa lignocelulósica, introduzem outros efeitos inibidores, como a extensão da fase lag da levedura, prejudicam o crescimento e a produção. Esta tese propõe empregar um solvente orgânico na dorna do biorreator, com o fim de extrair o produto inibidor e todos os componentes inibidores existentes no substrato, de tal forma que o processo de fermentação não seja prejudicado. Com esse objetivo, primeiramente foi definida a relação entre o tamanho molecular de agentes extrativos, bio-compatibilidade e propriedades extrativas dos mesmos. Em seguida, um solvente foi escolhido, sendo o biodiesel à base de óleo de mamona, através de características como biocompatibilidade, coeficientes de partição, seletividade, alta disponibilidade e reutilização. Foram feitas fermentações em regime batelada em fermentadores de bancada, utilizando o biodiesel como agente extrativo, demonstrando os efeitos positivos no desempenho da fermentação de um licor hidrolítico. Adicionalmente, o comportamento de uma cepa de levedura industrial foi estudado na presença de inibidores e foi construído um modelo matemático que descreve as taxas de conversão dos principais inibidores e as condições em que a levedura, ao invés de manter uma fase lag, inicia a produção de biomassa e etanol. Finalmente, foi elaborado, como exemplo da utilização da tecnologia proposta, um modelo do sistema contínuo de fermentação alcoólica com a extração líquido-líquido, incluindo a recuperação do produto e resfriamento do meio de fermentação pelo próprio solvente orgânico. Por meio desta modelagem e uma série de simulações, foram determinadas as faixas ideais das principais variáveis na produção de etanol pelo sistema bifásico, sendo elas a fração de licor hidrolítico no mosto, concentração de substrato, temperatura de fermentação, e taxa de diluição do solvente. Assim, o trabalho demonstra as vantagens, efeitos positivos e os limites da utilização de extração líquido-líquido na fermentação de substrato da segunda geração. Entre as vantagens se destacam: maior tolerância de caldo hidrolítico no mosto, elevada produtividade, maior rendimento e maior custo-benefício do substratoAbstract: There are two main factors that limit fermentation productivity and eficiency during the production of chemicals like ethanol when using lignocelulosic biomass as raw material: product inhibition and inhibition by substances in hydrolitic liquor generated during hydrolyzis. In this work, the simultaneous removal of both factors is proposed to eliminate their negative effects on ethanol fermentation. Fermentation products often damage the cellular wall of the micro-organism that is used as ferment. As a result, the toxicicity of the product does not permit that the fermentation continues unhindered once the product concentration has reached a certain level; growth of the micro-organism, productivity and yield are effected. Substances like furfural, hydroximetil furfural, phenolic compounds and organic acids, that are produced or released during pre-treatment or hydrolyzis of ligno-celulosic biomass, introduce other inhibiting effects, like the extension of the lag phase of the ferment or decreasing growth and production. This thesis proposes the use of an organic solvent as a second liquid phase in the bioreactor, to extract both the inhibiting product and all inhibiting compounds present in the substrate, such that the fermentation process remains unhindered. With this objective, first the relation between the molecular size of an extractive agent and its biocompatibility and extractive properties was determined. Next, a solvent was chosen, being biodiesel based on castor oil, by prioritizing characteristics as biocompatibility, partition coeficients, selectivity, availability and possibilities for recycling and reuse. Batch fermentations were executed in bench-scale, using biodiesel as extractive agent, demonstrating the improvements of fermentation of hydrolytic liquor. Aditionaly, the performance of an industrial yeast strain was studied in the presence of inhibitors and a mathematical model was constructed that descibes the conversion rates of the main inhibitors and conditions at which the yeast, instead of maintaining a lag phase, starts production of biomass and ethanol. Finally, as a practical example of the proposed technology, simulations were performed for an integrated process including continuous ethanol fermentation with liquid-liquid extraction, product recovery and cooling of the fermentation broth by the extractive agent itself. The simulation results reveiled the optimal ranges for the most important variables of the two-phase ethanol production process, i.e. fraction of hydrolitic liquor in the must, substrate concentration, fermentation temperature and dilution rate of the solvent. In all, the work shows the advantages, positive effects of and limits to the use of liquid-liquid extraction in fermentation of second-generation substrate. Advantages are, among others, higher tolerance of hydrolyzate in the must, higher yield, higher productivity and higher return on investment of raw-materia