Fermentação de carboidratos na produção do biocombustível

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Fermentação de carboidratos na produção do biocombustível
> Em 1917, Alexander Grahan Bell já proclamava os benefícios do álcool como combustível
em um artigo publicado na National Geographic. Nessa época já se sabia das tantas
matérias-primas possíveis para a produção de álcool, incluindo “serragem, sabugo de milho,
e a maior parte dos vegetais, até mesmo sementes... os resíduos de nossas fazendas... e
mesmo o lixo urbano”
Vias de obtenção de biocombustiveis a base de carboidratos:
> A via fermentativa é um processo com três fases: preparo do substrato, fermentação e
destilação do fermentado.
1 - No preparo do substrato, a matéria-prima é tratada para dela se obterem os açúcares
fermentescíveis. Essa etapa depende do tipo de matéria-prima utilizada.
2 - A fermentação é o processo pelo qual os carboidratos serão transformados em álcool e
gás carbônico pela ação de microrganismos.
3 - Finalmente, na destilação, o etanol é separado do caldo de fermentação e purificado.
> De acordo com o tipo de carboidratos presentes nas matérias-primas elas podem ser
classificadas em três tipos:
> Materiais açucarados – Contêm açúcares simples, monossacarídeos dissacarídeos,
como glicose, frutose e maltose.
- A fermentação de monossacarideos é utilizada apenas na produção de álcool em
bebidas como vinho e sidra.
- Já os dissacarídeos são fermentados após uma hidrólise ocorrida pela ação da
enzima invertase, produzida pelo próprio agente de fermentação.
Exemplos:
- 1 t de maçãs levaria produção de 56 L de álcool.
- Uma tonelada de melaço produziria de 250 a 300 L de álcool
- Uma tonelada de beterrabas pode levar a um rendimento de cerca de 100 L de álcoo
- Cana-de-açúcar – A eficiência da extração é de 95% com rendimento em torno de
90L de biocombustivel por tonelada de cana.
> Materiais amiláceos – Contêm como o amido e inulina.
Esses materias requerem um processo de cozimento para diluição e gelatinização do
amido, e, em seguida, de sacarificação ou hidrólise no qual o amido é transformado em
açúcares fermentescíveis. (A hidrólise pode ser por maltagem, por adição de enzimas ou
pela ação de ácidos. = só no vídeo)
Exemplo:
- grãos amiláceos (milho, sorgo, cevada, trigo), raízes e tubérculos (batata,
batata-doce, mandioca).
- A produtividade do milho é de uma tonela para 407 litros de etanol
> Materiais celulósicos – São constituídos de celulose. Para tornarem-se fermentescíveis,
devem passar por um processo complexo de hidrólise ácida.
As vantagens desses substratos são sua grande disponibilidade, baixo custo e questões
ambientais. Os materiais celulósicos são compostos de lignina, hemicelulose e celulose em
diferentes proporções.
Exemplos: palha, madeira, resíduos agrícolas e de fábricas de papel e microalgas.
Microalgas:
- As microalgas contêm elevada eficiência de conversão fotossintética, rápido
crescimento e possibilidade de manipulação do meio de cultivo para produzir
biomassa com elevado teor de carboidratos, além do uso de áreas com baixa
aptidão agrícola.
(> Algumas espécies de grupos da Spirulina spp., Porphyridium cruentum, Spyrogyra sp.,
Chlorella vulgaris, Clamydomona reinhardtii, Dunaliella tertiolecta, Scenedesmus acutus e
Tetraselmisem subcordiformis apresentaram em estudos a capacidade de acumular uma
grande quantidade de carboidratos. = colocar só no video)
- As condições de cultivo podem variar dependendo da espécie de microalga. (Outros
parâmetros influeciam na produção da biomassa: intensidade da luz e comprimento
de onda adequados, temperatura, concentração de CO2, quantidade de nutrientes,
condições de mistura e contaminação. = só no vídeo)
- As tecnologias envolvidas para colheita da biomassa microalgal incluem a
coagulação-floculação por adição de reagentes químicos, a centrifugação e a
filtração.
- A partir de todos esses processos, é feita a fermentação desses carboidratos obtidos
pela colheita da biomassa microalgal, realizada por leveduras (como a
Saccharomyces cerevisiae). Ela é considerada uma das mais eficazes na produção
de bioetanol possuindo vantagens como alta produção a partir de hexoses, elevada
tolerância ao etanol, sendo cultivadas a temperaturas de 30º C na presença de
carbono e nitrogênio.
Fermentação alcoólica:
- A fermentação alcoólica ocorre dentro das leveduras, que possuem essa capacidade
de converter açúcares assimiláveis (correspondente a um substrato oxidado) em
etanol (substrato reduzido) por uma série de reações bioquímicas reguladas por
enzimas específicas.
- Apesar de não ser o único microrganismo capaz de produzir álcool, as propriedades
específicas das leveduras, como tolerância a altas concentrações de álcool e CO2, o
crescimento rápido e a capacidade de fermentação as tornam os microrganismos
mais adequados para a escala industrial.
- As mais importantes para a produção de álcool são as Saccharomyces cerevisiae e
Saccharomyces carlsbergensis. (Sua biomassa pode ser recuperada como
subproduto da fermentação e transformada em levedura seca, que se constitui em
matéria-prima para fabricação de ração animal ou suplemento vitamínico humano. =
encaixar só no video)
- Os açúcares fermentescíveis são os monossacarídeos glicose, frutose, manose e
galactose, bem como os dissacarídeos maltose e sacarose, e os trissacarídeos
rafinose e maltotriose. (Os polissacarídeos amido e celulose não são
metabolizados por leveduras, porém através de ferramentas de biologia molecular é
possível introduzir genes de amilases para a construção de linhagens de
Saccharomy cerevisiae.= colocar só no video)
- As características genéticas que as leveduras devem ter para uma boa produção
industrial de álcool são: alta produção (relação entre o álcool produzido e o açúcar
disponível à levedura); alta velocidade de fermentação; alta tolerância ao álcool;
tolerância a altas temperaturas e estabilidade.
- A via metabólica envolvida na produção de etanol em leveduras é a via gicolítica,
Ela ocorre com uma série de reações catalisadas por enzimas, onde o produto são
duas moléculas de piruvato para cada molécula de glicose. Em condições
anaeróbicas e em alta concentração de glicose, o piruvato é reduzido a etanol com
liberação de CO2. Em teoria a porcentagem obtida de etanol é de 51,1% e 48,9% de
CO2 em relação à glicose metabolizada. Como produto da glicose tem dois moles
de ATP por mol de glicose, que podem ser usados para manutenção energética das
células.
(usar imagem com o texto acima da imagem)
- Parte da energia é usada para o metabolismo celular e parte é perdida na forma de
calor. Além disso, parte da glicose será destinada ao crescimento da levedura e
existem outros subprodutos, como glicerol, ácidos orgânicos e álcoois superiores.
- Na indústria, a eficiência da conversão em etanol pode chegar a 90-93% devido ao
crescimento celular e à produção de produtos finais de metabolismo secundário.
- Tudo o que é necessário para iniciar a fermentação é misturar o inóculo de
leveduras e manter as condições adequadas para o seu crescimento e produção de
etanol.
- O tempo de fermentação pode variar com a matéria-prima, o microrganismo, o pH, a
temperatura e entre outros fatores, levando, normalmente, de 2 a 5 dias.
- Diversos fatores físicos (temperatura, pressão osmótica), químicos (pH,
oxigenação, nutrientes minerais e orgânicos, inibidores) e microbiológicos
(espécie, linhagem e concentração da levedura, contaminação bacteriana) afetam o
rendimento da fermentação, a conversão de açúcar em etanol.
- Geralmente, as quedas na eficiência fermentativa decorrem de uma alteração no
equilíbrio do processo, levando à maior formação de produtos secundários, ou por
contaminação de outros microrganismos, como bactérias, que competem pelo
substrato para produção de outros produtos.
http://objdig.ufrj.br/60/teses/coppe_m/BernardoAlvesCinelli.pdf
http://objdig.ufrj.br/60/teses/coppe_m/BernardoAlvesCinelli.pdf
Produção de álcool combustível a partir de carboidratos - CristinaMaria Monteiro
Machado1 Frederique Rosa e Abreu2
video: https://www.youtube.com/watch?v=TAPlTgccU2g&t=109s
https://www.youtube.com/watch?v=TAPlTgccU2g&t=109s