Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/99426
Title: Produção de bioetanol celulósico a partir de cascas pré-tratadas de eucalipto e de lamas primárias
Other Titles: Production of cellulosic bioethanol from eucalyptus bark pretreated and primary sludge
Authors: Lopes, Anderson dos Prazeres Maneca Vieira
Orientador: Baptista, Cristina Maria dos Santos Gaudêncio
Rocha, Jorge Manuel dos Santos
Keywords: Bioetanol; Lenhocelulose; SSF - Semi-SSF; NSSF; Pré-tratamento; Bioethanol; Lignocellulose; SSF - Semi-SSF; NSSF; Pretreatment
Issue Date: 14-Jan-2022
Serial title, monograph or event: Produção de bioetanol celulósico a partir de cascas pré-tratadas de eucalipto e de lamas primárias
Place of publication or event: Departamento de Engenharia Química (Universidade de Coimbra)
Abstract: Due to the scarcity of fossil fuels and the adversities (global warming and the greenhouse effect) that their exploration and use have caused to the environment, the search for renewable energy sources, specifically biofuels, has been increasingly considered. The production of bioethanol from lignocellulosic materials makes a viable contribution to the generation of clean and sustainable energy.In this context, the main objective of this work is the production of bioethanol from lignocellulosic biomass, namely eucalyptus bark pulp pretreated with kraft cooking and primary sludge (used with and without HCl pretreatment application). Different ethanol production strategies were studied, namely simultaneous saccharification and fermentation (SSF) and non-isothermal simultaneous saccharification and fermentation (NSSF). For both production strategies, the Cellic® CTec2 enzyme complex was used to hydrolyze the polysaccharides into monosaccharides (fermentable sugars) and the yeast Saccharomyces cerevisiae ATCC® 26602TM was used to convert the fermentable sugars into ethanol. Some variables remained constant, such as raw material consistency (8 %), total suspension mass (350 g) and enzyme load (25 FPU/gHC). In the SSF tests, only variation of the impeller type (Rushton turbine and anchor type) was studied. In the NSSF the following operating conditions were studied: i) the pre-hydrolysis time (6 and 24h), ii) the fermentation temperature (30 and 38 ºC) and iii) the impeller type. In general, the SSF process proved to be more efficient than the NSSF process, as higher ethanol concentrations and, consequently, better production yields were achieved. In the case of kraft pulp SSF, ethanol concentrations of 35.7 and 33.0 g L-1 when using Rushton Turbine (KA1) and Anchor Impeller (KA2), respectively, thus concluding that the Rushton Turbine impeller was more beneficial for ethanol production, although have led to a slightly lower productivity (1.44 g L-1 h-1, t = 24h) than that obtained with the anchor impeller (1.54 g L-1 h-1). Regarding primary sludge, the importance of pre-treatment of the raw material was clearly verified, having obtained concentrations of 28.0 and 34.3 g L-1 for untreated sludge (LA1) and for pre-treated sludge (LTA1), respectively. It was verified that the anchor type impeller increased the ethanol productivity, obtaining ethanol concentrations of 34.3 (t = 24h) and 33.5 g L-1 (t = 18h) in the LTA1 and LTA2 tests, respectively.Regarding the NSSF process, longer pre-hydrolysis was confirmed as advantageous, whatever the raw material. More specifically, concentrations of 28.3 and 30.1 g L-1 were obtained in the kraft pulp tests NK1 (t hydrolysis = 6h) and NK2 (t hydrolysis = 24h) tests, and of 11.0 and 25.0 g L-1 in the tests of treated primary sludge NLT1 (t hydrolysis = 6h) and NLT2 (t hydrolysis = 24h) tests, respectively. Concerning the fermentation temperature, for the Kraft bark paste, concentrations of 28.8 and 29.5 g L-1 of ethanol were obtained in the NK1 (t hydrolysis = 6h and T fermentation = 30 ºC) and NK3 (t hydrolysis = 6h and T fermentation = 38 ºC) tests, respectively. For the primary sludge, the concentrations of ethanol were 11.0 and 29.2 g L-1 in the NLT1 (t hydrolysis = 6h and T fermentation = 30 ºC) and NLT3 (t hydrolysis = 6h and T fermentation = 38 ºC) tests, respectively. Concerning the impeller type, for the treated primary sludge the highest ethanol concentration was obtained using the anchor type impeller, having obtained 32.0 g L-1 of ethanol (t hydrolysis = 6h and T fermentation = 38 ºC). On the other hand, when the Rushton Turbine impeller was used, the concentration was 29.2 g L-1 (t hydrolysis = 6h and T fermentation = 38 ºC). The same did not happen with the kraft pulp, where the concentration of ethanol was higher using the Rushton turbine impeller (29.5 g L-1 for the NK3 test) than using the anchor type impeller (26.3 g L-1 for NK5 test), when t hydrolysis was 6h and T fermentation was 38 ºC.
Devido à escassez dos combustíveis fósseis e as adversidades (aquecimento global e efeito estufa) que a obtenção e uso dos mesmos tem causado no meio ambiente tem se optado cada vez mais pela busca de fontes de energia renovável, mais especificamente os biocombustíveis. A produção de bioetanol a partir de materiais lenhocelulósicos apresenta uma contribuição viável para a geração de energia limpa e sustentável.Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho é a produção de bioetanol a partir de biomassa lenhocelulósica, nomeadamente pasta de casca de eucalipto pré-tratada com cozimento kraft e lamas primárias (utilizadas com e sem aplicação de pré-tratamento com HCl). Foram estudadas diferentes estratégias de produção de etanol, designadamente sacarificação e fermentação em simultâneo (SSF – Simultaneous Saccharification and Fermentation) e sacarificação e fermentação em simultâneo não isotérmicas (NSSF – Non isothermal Simultaneous Saccharification and Fermentation). Para ambas as estratégias de produção, usou-se o complexo enzimático Cellic® CTec2 para realizar a hidrólise dos polissacarídeos em monossacarídeos (açúcares fermentáveis) e a levedura Saccharomyces cerevisiae ATCC® 26602TM para converter os açúcares fermentáveis em etanol. Mantiveram-se constantes algumas variáveis como a consistência da matéria-prima (8 %), massa total de suspensão (350 g) e carga enzimática (25 FPU/gHC). Nos ensaios SSF estudou-se apenas variação do tipo de impulsor (Turbina Rushton e tipo âncora). Nos ensaios NSSF estudaram-se: i) a variação de tempo de pré-hidrólise (6 e 24h), ii) a variação da temperatura de fermentação (30 e 38 ºC) e iii) a variação do tipo de impulsor. De um modo geral, o processo SSF revelou-se mais eficiente que o processo NSSF por se terem alcançado concentrações mais elevadas de etanol e consequentemente melhores rendimentos de produção. No caso do SSF de pasta kraft de casca, obtiveram-se concentrações de etanol de 35.7 e 33.0 g L-1 quando se usou a Turbina Rushton (KA1) e o impulsor âncora (KA2) , respetivamente, concluindo assim que o impulsor Turbina Rushton foi mais benéfico para a produção de etanol, apesar de ter conduzido a um valor de produtividade ligeiramente menor (1.44 g L-1 h-1, t = 24h) da que se obteve com o impulsor âncora (1.54 g L-1 h-1). Relativamente às lamas primárias, verificou-se claramente a importância do pré-tratamento da matéria-prima, tendo-se obtido concentrações de etanol de 28.0 e 34.3 g L-1 para as lamas não tratadas (LA1) e para as lamas tratadas (LTA1), respetivamente. Verificou-se que o impulsor do tipo âncora aumentou a produtividade de etanol, tendo-se obtido concentrações de etanol de 34.3 (t = 24h) e 33.5 g L-1 (t = 18h) quando se usou a turbina Rushton e o impulsor âncora (LTA2), respetivamente.Relativamente ao processo NSSF, verificou-se vantagem na pré-hidrolise mais prolongada fosse qual fosse a matéria-prima e obtiveram-se concentrações de etanol de 28.3 e 30.1 g L-1 nos ensaios de pasta kraft de casca NK1 (t hidrólise = 6h) e NK2 (t hidrólise = 24h), e de 11.0 e 25.0 g L-1 nos ensaios de lamas primárias tratadas NLT1 (t hidrólise = 6h) e NLT2 (t hidrólise = 24h), respetivamente. Quanto a variação da temperatura de fermentação, para o caso da pasta kraft de casca obtiveram-se concentrações de 28.8 e 29.5 g L-1 de etanol nos ensaios NK1 (t hidrólise = 6h e T fermentação = 30 ºC) e NK3 (t hidrólise = 6h e T fermentação = 38 ºC), respetivamente. Para o caso das lamas primárias, as concentrações foram de 11.0 e 29.2 g L-1 nos ensaios NLT1 (t hidrólise = 6h e T fermentação = 30 ºC) e NLT3 (t hidrólise = 6h e T fermentação = 38 ºC), respetivamente. Quanto a variação do tipo de impulsor, para as lamas primárias tratadas a maior concentração de etanol foi obtida quando se usou o impulsor do tipo âncora, tendo-se obtido 32.0 g L-1 de etanol (t hidrólise = 6h e T fermentação = 38 ºC). Por outro lado, quando se usou o impulsor Turbina Rushton a concentração foi de 29.2 g L-1 (t hidrólise = 6h e T fermentação = 38ºC). O mesmo não se verificou para o caso da pasta kraft de casca, onde a concentração de etanol foi maior quando se usou o impulsor turbina Rushton (29.5 g L-1 para o ensaio NK3) do que quando se usou o impulsor do tipo âncora (26.3 g L-1 para o ensaio NK5), quando o t hidrólise foi 6h e a T fermentação foi de 38 ºC.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: https://hdl.handle.net/10316/99426
Rights: embargoedAccess
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