IV Simpósio Internacional sobre Gerenciamento de Resíduos Agropecuários e Agroindustriais
05 a 07 de maio de 2015 - Rio de Janeiro - RJ
PRODUÇÃO DE BIOETANOL DE PSEUDOCAULE DE BANANEIRA POR
DIFERENTES ESPÉCIES DE MICRO-ORGANISMOS
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Just, L.P.* ; Liebl, G.F. ; Montagnoli, M.S. ; Marangoni, C. ; Sellin, N. ; Souza, O.
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Graduanda Engenharia Ambiental e Sanitária, Mestrando Engenharia de Processos, Professores Universidade
da Região de Joinville – UNIVILLE, Joinville, SC, Brasill.
e-mail: [email protected]
RESUMO: Desde 2008, a Univille vem estudando o uso das principais biomassas residuais
da cultura da banana (cascas de banana, folhas e pseudocaule da bananeira) na geração
de energia empregando os processos de metanização, combustão, pirólise e fermentação
alcoólica. Neste trabalho foi avaliada a produção de bioetanol por Saccharomyces cerevisae
ATCC 26603 e Pachysolen tannophilus ATCC 32691 empregando como biomassa o
pseudocaule da bananeira previamente seco e triturado. O farelo (70 g/L) foi previamente
tratado com ácido sulfúrico 2% em massa, 120 ºC/15 min, e então submetido à hidrolise
enzimática em pH 5,5 durante 24 h empregando as enzimas comerciais Cellic CTec2 e
HTec2 da Novozymes®. Os ensaios de fermentação foram conduzidos em frascos de
Erlenmeyers contendo mosto hidrolisado com 40 e 80 g/L de açúcares redutores totais
(ART) e concentração inicial de micro-organismos de 1,5 g/L em massa seca.
Independentemente da espécie de micro-organismo utilizada, o emprego de 80 g/L de ART
proporcionou a obtenção de rendimento médio em etanol (YP/ART = 0,49 g/g) da ordem de
96% do rendimento teórico que seria obtido na produção de etanol a partir da glicose (0,51 g
etanol/g glicose). Esse valor foi 65% maior do que o rendimento máximo alcançado com
ART de 40 g/L (YP/ART = 0,34 g/g). A maior produção de etanol (39,5±0,7 g/L) e respectiva
produtividade volumétrica (1,60±0,03 g/L.h) foram alcançadas na fermentação de 80 g/L de
açúcar empregando S. cerevisae como inóculo. Para P. tannophilus esses valores foram de
24,5 g/L e 0,97±0,14 g/L.h, respectivamente.
Palavras-chave: biocombustível, biomassa, fermentação alcoólica.
PRODUCTION OF BIOETHANOL FROM BANANA PLANT PSEUDOSTEM BY
DIFFERENT SPECIES OF MICROORGANISMS
ABSTRACT: Since 2008, Univille been studying the use of the main residual biomass
culture banana (banana peels, leaves and pseudostem of banana) in power generation
employing of methanation processes, combustion, pyrolysis and fermentation. In this study
we evaluated the production of bioethanol by Saccharomyces cerevisiae ATCC 26603 and
Pachysolen tannophilus ATCC 3269 employing biomass as the pseudostem of previously
dried and ground banana. The bran (70 g/L) was pretreated with 2% sulfuric acid by weight,
to 120 °C/15min, and then subjected to enzymatic hydrolysis at pH 5.5 for 24h using
commercial enzymes Cellic CTec2 and the HTec2 Novozymes®. The fermentation trials
were conducted in Erlenmeyer flasks containing the hydrolyzed product with 40 to 80 g/L of
total reducing sugars (TRS), and the initial concentration of microorganisms of 1.5 g/L dry
weight. Regardless of the species of microorganism used, employing 80 g/L TRS provided to
obtain average ethanol yield (YP/TRS = 0.49 g/g) of the order of 96% of the theoretical yield
which would be obtained on ethanol production from glucose (0.51 g ethanol/g glucose). This
value was 65% higher than the maximum yield achieved with TRS 40 g/L (YP/TRS = 0.34 g/g).
The highest yield of ethanol (39.5 ± 0.7 g/L) and its volumetric productivity (1.60 ± 0.03 g/Lh)
were reached in the fermentation productivity of 80 g/L sugar using S. cerevisiae as
inoculum. For P. tannophilus these values were 24.5 g/L and 0.97 ± 0.14 g/Lh, respectively.
Key Words: biofuel, biomass, alcoholic fermentation
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INTRODUÇÃO
Atualmente, há grande interesse na produção de bioetanol a partir de biomassa
lignocelulósica, principalmente aquela oriunda de resíduos agroindustriais pois, além de
contribuir com o meio ambiente a partir do seu aproveitamento, pode agregar valor aos
rejeitos e contribuir com a redução dos custos de produção da fonte geradora.
Dentre as diferentes fontes geradoras de biomassa residual, a cultura da banana se
destaca em função da enorme quantidade de resíduos gerados após a colheita da fruta. De
acordo com Soffner (2001), um bananal conduzido de maneira convencional pode fornecer,
aproximadamente, 200 t de rejeitos por hectare e por ano. Segundo Souza et al. (2012), em
torno de 75% dessa biomassa é pseudocaule da bananeira.
Para viabilizar a fermentação alcoólica desse tipo de material por micro-organismos
convencionais é necessário realizar a sacarificação prévia da biomassa onde, além da
glicose proveniente da hidrólise da celulose, outros açúcares redutores podem ser
produzidos, principalmente a xilose formada a partir da despolimerização da hemicelulose.
O principal objetivo desse trabalho foi avaliar o rendimento e a produtividade em etanol
obtidos na fermentação do caldo hidrolisado de pseudocaule de bananeira empregando
duas diferentes espécies de micro-organismos: Saccharomyces cerevisae e Pachysolen
tannophilus; esta última, capaz de fermentar glicose e xilose.
MATERIAL E MÉTODOS
O pseudocaule de bananeira Musa cavendishii foi previamente seco a 60 C durante
24 h e moído em moinho de facas até tamanho das partículas menores que 0,6 mm. Esse
farelo (75 g/L) foi submetido à hidrólise ácida com H2SO4 2% em massa/120 ºC/15 min e
sacarificado em pH 5,5 durante 24 h com enzimas comerciais Cellic CTec2® e Cellic
HTec2® da Novozymes Latin America Ltda.
Os ensaios de fermentação foram conduzidos em frascos Erlenmeyer de 250 mL
contendo 80% em volume (v/v) de caldo hidrolisado e 20% (v/v) de inóculo (concentração
inicial de micro-organismos no meio de fermentação: 1,5 g/L em massa seca). Como inóculo
foram utilizadas culturas puras de Saccharomyces cerevisae ATCC 26603 e Pachysolen
tannophilus ATCC 32691. A temperatura de incubação e pH inicial do meio de fermentação
foram específicos para cada micro-organismo avaliado: S. cerevisae, 30 C e 4,5; P.
tannophilus, 30 C e 6,0. Como nutrientes foram utilizados extrato de levedura e sais
inorgânicos conforme Souza et al. (2012) para ambos os micro-organismos. Duas diferentes
concentrações de açúcares redutores totais (ART) foram avaliados com repetições: 40 g/L
(caldo não-concentrado, Ensaios EP1 e EP2) e 80 g/L (caldo concentrado a 70 ºC, Ensaios
EPc1 e EPc2).
Durante os experimentos foram retiradas amostras periódicas para as determinações
das concentrações de ART pelo método colorimétrico do cuproarsenato proposto por
Somogy (1952) e Nelson (1944) e de etanol (P) por cromatografia gasosa.
Os valores de rendimento (fator de conversão de substrato em etanol, YP/S) e
produtividade (QP) foram calculados de acordo com Schmidell et al. (2001).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As cinéticas do consumo de ART e produção de P específicas a cada um dos microorganismos avaliados são apresentadas na Figura 1. Para os ensaios com ART0 = 40 g/L
(EP1 e EP2) o comportamento cinético de ambos os micro-organismos foi semelhante; no
entanto, para ART0 = 80 g/L é possível observar uma maior redução na velocidade de
consumo do substrato por P. tannophilus (EPc2) em comparação a S. cerevisae (EPc1).
Resultado semelhante foi obtido por Sathesh-Prabu e Murugesan (2011) na fermentação de
ART = 200 g/L. Em todos os experimentos é possível observar que não houve o consumo
total dos açúcares presentes no meio, principalmente nas fermentações com maior ART
inicial (ART0 = 80 g/L, Figura 1, Ensaios EPc1 e EPc2). Segundo Mood et al. (2013), durante
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as etapas de hidrólise ácida e enzimática de materiais lignocelulósicos, diferentes açúcares
podem ser produzidos, dentre os quais glicose, xilose, arabinose e manose. Conforme
Chandel et al. (2011), S. cerevisae não metaboliza xilose e arabinose enquanto P.
tannophilus não fermenta manose.
A partir dos valores iniciais (ART0, P0) e finais (ARTf, Pf) de açúcares e etanol no caldo
e do tempo final de fermentação (tf) definidos a partir das curvas ajustadas (Figura 1), foram
calculados os parâmetros de rendimento (YP/S) e produtividade volumétrica (QP) em etanol
para cada um dos ensaios realizados (Tabela 1). Entende-se por tf como o tempo de
fermentação onde inicia o período que cessa o acúmulo de etanol no meio fermentado.
Conforme demonstra a Tabela 1, a maioria dos valores de YP/S ficaram próximos ao
valor estequiométrico de conversão de glicose em etanol (YP/S = 0,511), exceto para o caso
do uso do caldo não-concentrado (Ensaios EP1 e 2), cujos valores foram em torno de 30%
menores. Comportamento semelhante ocorreu com a produtividade. O uso de aquecimento
(70 ºC) na etapa de concentração do caldo empregado nos ensaios EPc1 e EPc2 deve ter
contribuído com a redução da concentração de inibidores da fermentação (ácido acético,
furfural e hidroximetilfurfural, etc) normalmente presentes em caldos pré-tratados com
ácidos (Mood et al., 2013). De uma maneira geral, S. cerevisae apresentou maiores valores
de produtividade em etanol em comparação com P. tannophilus.
CONCLUSÃO
O uso do aquecimento prévio do caldo hidrolisado empregado para o aumento da
concentração de açúcares fermentescíveis proporcionou aumento de até duas vezes no
rendimento em etanol em comparação ao caldo não-concentrado. Em todas os
experimentos realizados, Saccharomyces cerevisae ATCC 26603 apresentou produtividade
volumétrica em etanol superior à obtida por Pachysolen tannophilus ATCC 32691, chegando
a 65% maior no caso do uso de maior concentração inicial de ART (80 g/L).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CHANDEL, A. K.; CHANDRASEKHAR, G.; RADHIKA, K. et al. Bioconversion of pentose sugars into
ethanol: A review and future directions. Biotechnology and Molecular Biology Review, v. 6, n. 1, p.
8-20, 2011.
MOOD, S. H.; GOLFESHAN, A. H.; TABATABAEI, M. et al. Lignocellulosic biomass to bioethanol, a
comprehensive review with a focus on pretreatment. Renewable and Sustainable Energy Reviews,
v. 27, p. 77–93, 2013.
NELSON, N. A photometric adaptation of Somogy method for determination of glucose. Biochemistry,
v. 153, p. 375-380, 1944.
SATHESH-PRABU, C.; MURUGESAN, A. G. Potential utilization of sorghum field waste for fuel
ethanol production employing Pachysolen tannophilus and Saccharomyces cerevisiae. Bioresource
Technology, v. 102, p. 2788–2792, 2011.
SCHMIDELL, Willibaldo; LIMA, Urgel de Almeida; AQUARONE, Eugênio; BORZANI, Walter.
Biotecnologia industrial: engenharia bioquímica. São Paulo: Edgard Blücher, 2001.
SOFFNER, M. L. A. P. Produção de polpa celulósica a partir de engaço de bananeira. Dissertação de
Mestrado, ESALQ/USP, Piracicaba, SP, 2001, 56p.
SOMOGYI, M. Notes on sugar determination. Journal of Biologycal Chemistry, v. 195, p. 19, 1952.
SOUZA, O.; SCHULZ, M. A.; FISCHER, G. A. A.; WAGNER, T. M.; SELLIN, N. Energia alternativa de
biomassa: Bioetanol a partir da casca e da polpa de banana. Revista Brasileira de Engenharia
Agrícola e Ambiental, v. 16, n. 8, p. 915–921, 2012.
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Figura 1. Cinéticas de consumo de substrato (ART ■,□)* e produção de etanol (P ●,○)* por
Saccharomyces cerevisae (EP1, EPc1) e Pachysolen tannophilus (EP2, EPc2) a
partir de caldo hidrolisado de pseudocaule**.
* Os símbolos sólidos e as linhas cheias corresponderam a um ensaio e os símbolos vazios e as linhas tracejadas à
sua repetição.
** A letra “c” no título dos gráficos indica que o caldo hidrolisado foi previamente concentrado para aumentar a
concentração inicial de ART.
Tabela 1. Rendimento (YP/S) e produtividade volumétrica (QP) em etanol obtidos na
fermentação de pseudocaule de bananeira por S. cerevisae (EP1, EPc1) e P.
tannophilus (EP2, EPc2).
Ensaios
tf
ART0
ARTf
P0
Pf
YP/S
QP
EP1
12
41,0
4,2
1,2
13,7
0,34
1,04
12
41,0
4,3
1,2
12,8
0,32
0,97
EP2
12
43,0
3,2
1,9
11,0
0,23
0,76*
12
36,0
2,4
1,7
12,0
0,31
0,86*
EPc1
24
84,4
10,0
1,2
39,0
0,51
1,58
24
90,0
11,0
1,2
40,0
0,49
1,62
EPc2
24*
67,0
22,0
1,3
27,0
0,57
1,07
24*
68,0
17,0
1,2
22,0
0,41
0,87
* tempo final de fermentação (tf) correspondeu ao tempo máximo de ensaio e não ao tempo de fermentação relativo ao
final do acúmulo de etanol no meio. como nos demais ensaios.