Inovação e otimização no processo de produção de etanol a partir de batata-doce

Abstract

No contexto energético o bioetanol tem recebido considerável atenção, por questões ambientais e também pela redução da dependência dos combustíveis de origem fóssil. Embora o Brasil seja o segundo maior produtor mundial de etanol, a produção está concentrada em determinadas regiões, enquanto o Rio Grande do Sul é basicamente um importador. Para mudar tal situação, a batata-doce é uma matéria-prima atrativa, por ser rica em amido e possuir características agronômicas vantajosas. Visando colaborar para a viabilização em maior escala da produção de etanol a partir de batata-doce, o presente trabalho reúne estudos sobre este tema. De trabalhos anteriores desenvolvidos no GIMSCOP, ficou o desafio da obtenção de teores de etanol no vinho entre 10 – 12% (v/v), o que foi alcançado neste trabalho com o aumento da concentração batata: água para 1,5 kg: 1 L. A enzima comercial Stargen 002, recomendada pelo fabricante para o amido granular, foi utilizada para a hidrólise. Em ensaios amido granular vs. batata pré-aquecida em banho-maria (a 76oC), foi obtido um teor de etanol de 9,25% (v/v) em 24 h com o aquecimento prévio, enquanto que com a batata-doce crua o teor foi de 6,13% (v/v) em 58 h. Portanto, o método com a batata pré-aquecida foi selecionado, onde após o pré-aquecimento três processos são conduzidos em única etapa: hidrólise, fermentação e redução da viscosidade. Como resultado de um planejamento composto central, a temperatura e o tempo do processo apresentaram efeitos significativos, com maior sensibilidade à temperatura do que ao tempo. Como a temperatura praticada já estava em torno do ótimo (34oC), o maior ganho foi na redução do tempo, de 24h para 19h. Objetivando aumentar a eficiência de conversão, foi avaliado o efeito do pré-aquecimento em micro-ondas e também do amadurecimento da batata pós-colheita (atuação das próprias amilases ao longo do tempo). O amadurecimento foi positivo, o pico na produção de etanol foi em 25 dias após a colheita. Não foi observado ganho no pré-aquecimento com micro-ondas. Na estimativa de custos do processo, a levedura e a matéria-prima implicaram nas maiores frações do custo total. Visando um futuro processo de destilação com injeção de CO2, é apresentado um estudo teórico-experimental sobre o equilíbrio da mistura água-etanol-CO2 incluindo o estudo experimental de injeção de CO2 em um vinho de batata-doce. Viu-se que são necessários aperfeiçoamentos no modelo e no aparato experimental. Contudo, os resultados experimentais mostraram que se conseguem maiores concentrações de etanol no condensado nas menores vazões de CO2. Foi identificada uma relação linear entre a umidade da batata-doce e o teor de açúcares redutores totais (ART), resultando em uma proposta de estimativa interessante pela praticidade, mas se aconselha que a curva seja construída com dados de um tipo de batata e de fontes controladas. Também, um bom ajuste de curva requer que o método analítico empregado na produção dos pontos seja confiável. Foi iniciado um estudo comparativo de métodos, que deve ser continuado a fim de maximizar a quantificação de glicose com o menor custo de análise.

In the energy context ethanol has received considerable attention due to environmental issues and also by reducing the fossil fuels dependence. Although Brazil is the second largest ethanol producer in the world, the production is concentrated in certain regions, whereas Rio Grande do Sul state is practically an exclusive importer. To change this situation, sweet potato is a very attractive feedstock, because it is rich in starch and has favorable agronomic characteristics. Aiming to contribute to the viability of ethanol production from sweet potato in larger scale, this work brings studies upon this topic. In GIMSCOP's previous works, there was the challenge of obtaining ethanol concentration in wine between 10 – 12% (v/v), which was achieved in this work, by increasing the concentration potato: water to 1.5 kg: 1 L. The commercial enzyme Stargen 002 was used for hydrolysis, the manufacturer indicates it to the granular starch. In experiments: granular starch vs. potato preheated in water bath (at 76oC), was obtained an ethanol content 9.25% (v/v) in 24 h when applying the preheating, whereas with raw sweet potato the ethanol content was 6.13% (v/v) in 58 h. Therefore, the preheating method was selected, where after preheating three processes are conducted in a single stage: hydrolysis, fermentation and reduction of viscosity. A central composite design was carried out, the temperature and process time showed significant effects, with higher sensitivity to temperature than time. However, the practiced temperature was already around the optimum (34oC), the most important gain was the time reducing, from 24 h to 19 h. In order to increase conversion efficiency, was evaluated the effect of pre-heating in microwave and also sweet potato ripening over post-harvest (action of own amylases over time). The ripening was positive, the ethanol production peak was at 25 days after harvest. There was no gain in the preheating with microwave. In the process's costs estimation, the yeast and feedstock resulted in the largest fraction of total cost. Aiming a future process of distillation with CO2 injection, this work presents a theoretical and experimental study of the mixture water-ethanol-CO2 equilibrium, also there is an experimental study of CO2 injection through a sweet potato wine. It was seen that improvement is needed in the model and the experimental apparatus. However, experimental results showed that higher ethanol concentrations can be obtained in the condensate with lower CO2 flows. A linear relationship was found between the sweet potato moisture and the total reducing sugars (TRS), resulting in an interesting proposal for estimating due to practicality, but it is advisable that the curve be constructed with data from a kind of sweet potato with controlled sources. Also, a good curve fitting requires a reliable analytical method when obtaining the experimental points. A comparative study between methods was initiated, and it must be continued, in order to maximize the glucose quantification with lower cost analysis.