Estudos para o aproveitamento biotecnológico de variedades de batata-doce [Ipomoea batatas (L.) Lam] na fermentação alcoólica para a produção de etanol combustível e aguardente

Orientadora : Profa. Dra. Adenise Lorenci WoiciechowskiCoorientador : Prof. Dr. Carlos Ricardo SoccolTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa: Curitiba, 31/10/2014Inclui referências ao final de cada capítuloÁrea de concentração: Agroindústria e biocombustíveisResumo: Atualmente uma das maiores preocupações governamentais do Brasil e do mundo é encontrar soluções que reduzam a dependência energética dos combustíveis fósseis, conciliada ao desenvolvimento de formas de produção de energia menos impactantes para o meio ambiente. O álcool combustível tem um peso crescente na matriz energética brasileira assim como as aguardentes tem um peso crescente na indústria de bebidas podendo trazer um desenvolvimento interno ao país. Para tanto, o objetivo do presente estudo foi produzir etanol a partir da batata-doce para estas duas finalidades. Para isso foram realizadas hidrolises ácidas de três variedades de batata-doce [Ipomoea batatas (L.) Lam] (Amélia, Cuia e Rubissol) a fim de obter um caldo com alta concentração de açúcares fermentescíveis. Nas hidrólises as concentrações testadas de ácido clorídrico foram 1,5; 2,0; 2,5, 3,0; 3,5; 4,0 e 7,5% (v/v), a 100ºC e 120ºC e com um tempo de tratamento térmico de 15 minutos e 2 horas. Entre as três variedades de batata-doce estudadas, apenas uma foi selecionada, assim como entre quatro cepas de levedura estudadas, uma foi selecionada para realização de testes de otimização do processo de fermentação alcoólica e análise dos Compostos Orgânicos Voláteis. As fermentações foram conduzidas inicialmente em Erlenmeyers de 250mL em estufa a 30°C, com concentração de inóculo de 107 células/mL, por 24 horas. Foram realizados também estudos de aumento da concentração de inóculo para 108 células/mL, análise dos Compostos Orgânicos Voláteis (COV), comparando a cepa anteriormente selecionada com outras duas cepas adquiridas de Saccharomyces cerevisiae, CA-11 e ATCC 26602. A melhor condição de hidrólise ácida encontrada foi com a menor concentração de HCl (1,5% v/v), constituindo um resultado positivo, pois acarreta redução de custos no processo sendo necessário menos ácido clorídrico para hidrólise assim como menos hidróxido de sódio para posterior neutralização. Nos primeiros ensaios de fermentação a cepa Saccharomyces cerevisiae LPB1-93 foi selecionada por melhor desempenho assim como a batata-doce variedade Cuia foi a escolhida para dar continuidade ao trabalho. Nos estudos comparativos com as seguintes cepas LPB1-93, CA-11 e ATCC 26602, todas Saccharomyces cerevisiae, a cepa LPB1-93 continuou sendo destaque quanto às melhores eficiências de fermentação, acima de 90%, maior consumo dos açúcares, produtividade alta em litros por hectare (11292 L/ha/ano) e pela presença de um número maior de COV nos fermentados, contribuindo para a qualidade da aguardente. Portanto, conclui-se que a batata-doce variedade Cuia pode vir a ser uma promissora matéria-prima para produção tanto de etanol combustível como de aguardente, podendo constituir uma fonte de renda alternativa e sustentável para agricultura familiar. Palavras-chave: Etanol. Biocombustível. Hidrólise. Batata-doce. Produtividade. Agricultura familiar. Aguardente.Abstract: Currently one of the largest concern of Brazil and the world governamental is to find solutions that will reduce the energy dependence from fossil fuel, reconciled to the development of less impactful on the environment. Ethanol fuel has an increasing weight in the Brazilian energy matrix as well as has spirits an increasing weight in the beverage industry, bringing an internal development to the country. Therefore, the objective of the present study was to produce ethanol from sweet potatoes for these two propose. For that hydrolyses acid were carried out with three varieties of sweet potato [Ipomoea batatas (L.) Lam (Amélia, Cuia and Rubissol) in order to obtain a broth with high concentration of fermentable sugars. In hydrolysis, the hydrochloric acid concentrations tested were 1.5; 2.0; 2.5, 3.0; 3.5; 4.0 and 7.5% (v/v), at 100°C and 120°C and with a heat treatment time of 15 minutes and 2 hours. Among the three varieties of sweet potato studied, only one was selected, as well as from four yeast strains studied, one was selected to perform the optimization of fermentation tests and analysis of Volatile Organic Compounds process. The fermentations were initially conducted in 250 mL Erlenmeyer flasks in an incubator at 30 ° C with a inoculum rate of 107 cells/ml for 24 hours. Studies to increase the rate of inoculum to 108 cells/mL, analysis of Volatile Organic Compounds (VOCs) were also conducted comparing the strain selected with two other previously acquired strains of Saccharomyces cerevisiae, CA-11 and ATCC 26602. The best condition of acid hydrolysis was found with the lowest concentration of HCl (1.5% v/v), constituting a positive outcome because it entails lower costs in the process. In the first tests fermentation tests the strain Saccharomyces cerevisiae LPB1-93 was selected for best performance as well as the Cuia variety was chosen to continue the studies. In the following comparative studies with the LPB1-93, CA-11 strains and ATCC 26602, all Saccharomyces cerevisiae, the strain LPB1-93 continued being featured as the best yields above 90 %, higher sugar consumption and high productivity and by the presence of a larger number of VOCs in fermented, contributing to the quality of the spirit. Therefore, it is concluded that the variety of Cuia sweet potato can turn out to be a promising raw material for production of fuel ethanol as spirit, and may be an alternative and sustainable source of income for smallholder agriculture. Key words: Ethanol. Biofuel. Hydrolysis. Sweet potato. Productivity. Family farming. Spirit

Biofiltração de vapores de gasolina com diferentes concentrações de etanol

Resumo: Toneladas de vapores provenientes da indústria petrolífera são emitidas anualmente para a atmosfera. Essas perdas de vapores têm como consequências prejuízos econômicos e danos ao meio ambiente assim como à saúde humana, uma vez que certas substâncias podem causar câncer. Porém existem alternativas para tratar esses vapores, como a biofiltração. A biofiltração é uma tecnologia simples e de baixo custo comparada a outras tecnologias de controle desses compostos orgânicos voláteis. O ar contaminado a ser tratado é forçado a passar por um filtro, cujo suporte está impregnado de microrganismos - formando um biofilme. Os contaminantes são, então, mineralizados através do metabolismo microbiano. Os objetivos deste trabalho foram: avaliar a aplicação da biofiltração no controle das emissões dos voláteis da gasolina C em crescentes concentrações; avaliar a aplicação da biofiltração dos vapores da mistura da gasolina com o etanol, em diferentes concentrações. Todos os experimentos foram desenvolvidos em um mesmo sistema de biofiltração em escala de bancada, com colunas de vidro de 0,680mL cada. O material suporte estudado foi a mistura de composto mais pneu (2:1). A eficiência de remoção (ER) foi acompanhada com o uso de cromatografia gasosa (CG-FID). Em todos os casos estudados a biofiltração se mostrou adequada para o tratamento dos contaminantes

Biofiltração de vapores de gasolina com diferentes concentrações de etanol

Resumo: Toneladas de vapores provenientes da indústria petrolífera são emitidas anualmente para a atmosfera. Essas perdas de vapores têm como consequências prejuízos econômicos e danos ao meio ambiente assim como à saúde humana, uma vez que certas substâncias podem causar câncer. Porém existem alternativas para tratar esses vapores, como a biofiltração. A biofiltração é uma tecnologia simples e de baixo custo comparada a outras tecnologias de controle desses compostos orgânicos voláteis. O ar contaminado a ser tratado é forçado a passar por um filtro, cujo suporte está impregnado de microrganismos - formando um biofilme. Os contaminantes são, então, mineralizados através do metabolismo microbiano. Os objetivos deste trabalho foram: avaliar a aplicação da biofiltração no controle das emissões dos voláteis da gasolina C em crescentes concentrações; avaliar a aplicação da biofiltração dos vapores da mistura da gasolina com o etanol, em diferentes concentrações. Todos os experimentos foram desenvolvidos em um mesmo sistema de biofiltração em escala de bancada, com colunas de vidro de 0,680mL cada. O material suporte estudado foi a mistura de composto mais pneu (2:1). A eficiência de remoção (ER) foi acompanhada com o uso de cromatografia gasosa (CG-FID). Em todos os casos estudados a biofiltração se mostrou adequada para o tratamento dos contaminantes

Biofiltration of volatile organic compounds of Brazilian gasoline

Gasoline vapors pollute the atmosphere and can be harmful to human and animal health. Tons of particles of this pollutant are expelled to the atmosphere, generating great economic losses to the industries and serious damage to the environment. Biofiltration is an option of simple technology with low costs that can be used for the gasoline vapor treatment. The present study was carried out in two biofilter systems of laboratorial scale. The biofilter system 1 was operated with a total volume of 2.72 L (four columns) and the biofilter 2 with 2.04 L (three columns) of total volume. Both of them were operated in sequence, with airflow of 450 mL entering each one. Results obtained were as follows for the removal efficiency (RE) of different gasoline vapor concentrations in the air: 1.3 g.m-3 during 35 days, RE of 100%; 3 g.m-3 during 52 days, RE of 90%; 4.5 g.m-3 during 48 days, RE of 70-80% and 8g.m-3 during 28 days, RE of 70%