Alves de Oliveira, Regiane, 1990, Maciel Filho, Rubens, 1958, Rossell, Carlos Eduardo Vaz, Forte, Marcus Bruno Soares, Azzoni, Sindelia Freitas, Lunelli, Betânia Hoss, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos, Programa de Pós-Graduação em Bioenergia, and UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Orientadores: Rubens Maciel Filho, Carlos Eduardo Vaz Rossell Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos Resumo: O ácido láctico é um ácido orgânico que possui uma ampla gama de aplicações industriais bem estabelecidas, como nas indústrias de alimentos, farmacêutica e cosmética. Novas aplicações são frequentemente descobertas e lançadas no mercado. Atualmente, suas aplicações com maior destaque estão relacionadas à indústria médica, produção de polímeros - biodegradáveis ou não - e seu uso como molécula precursora para a produção de outras moléculas na indústria química. Este trabalho apresenta os principais aspectos relacionados à cadeia de produção de ácido láctico de primeira e segunda-geração produzidos a partir de cana-de-açúcar, considerando as tendências de mercado, perspectivas e desafios. Inicialmente, foi realizado uma triagem de microrganismos que resultou na seleção de uma cepa de Lactobacillus plantarum para ser utilizada na produção de ácido lático de primeira e segunda-geração. O melaço de cana-de-açúcar é uma rica fonte nutricional para a produção ácido láctico de primeira-geração. Para países onde a cana é uma cultura importante, sua utilização pode abrir uma oportunidade para a implementação de uma biorrefinaria que produza açúcar, etanol, leveduras, eletricidade e ácido lático, como tem sido feito nos setores de açúcar e álcool. Utilizando o melaço como substrato, foram produzidos 157,9 g/L de ácido lático, com produtividade de 5,4 g L-1 h-1 e rendimento de 95 %. O ácido lático de segunda-geração foi produzido a partir da fração hemicelulósica do bagaço de cana hidrolisado, resultando em 34,5 g/L de ácido lático. Neste estudo detectou-se um fenômeno chamado de bio-detoxificação, no qual o microrganismo não é afetado pelos inibidores remanescentes do pré-tratamento do bagaço, sendo capaz de diminuir as concentrações de furfural e HMF em 98 % e 86 %, respectivamente. Com o intuito de aumentar a produção de ácido lático, uma cepa de Bacillus coagulans foi selecionada para produzir ácido láctico a partir da fração hemicelulósica do bagaço de cana. Este microrganismo produziu 60,0 g/L de ácido lático, com uma produtividade de 1,7 g L-1 h-1 e 87 % de rendimento. Este microrganismo também foi capaz de bio-detoxificar o caldo de fermentação, removendo 100 % do furfural e do HMF presente no hidrolisado. Considerando processos alternativos de separação e purificação do ácido láctico, ainda existem vários desafios a serem superados. Hybrid short path evaporation (HSPE) pode ser um método alternativo para a recuperação e purificação de ácido láctico, reduzindo o risco de decomposição térmica das moléculas e evitando o uso de solventes tóxicos. É uma técnica ecologicamente correta e equilibrada, com o escopo e o potencial de aplicação em larga escala. Por estas razões, HSPE foi testado como um método alternativo ao processo tradicional de downstream de ácido láctico. Usando um caldo de fermentação produzido a partir do melaço, foi possível atingir uma concentração de ácido láctico de 247,7 g/L, equivalente a 2,5 vezes mais do que a concentração de ácido lático na corrente de alimentação (100,1 g/L). Para o ácido láctico de segunda-geração produzido a partir do hidrolisado hemicelulósico, alcançou-se uma concentração máxima de ácido láctico de 86,7 g/L, o que equivale a 3,1 vezes a concentração de ácido láctico na corrente de alimentação (27,9 g/L). Em ambos os casos, os resultados mostraram que todas as variáveis estudadas influenciaram o processo: temperatura do evaporador, temperatura do condensador interno e vazão de alimentação. Estes estudos possibilitaram a identificação de diferentes desafios na separação de ácido lático de primeira e segunda-geração. Por fim, recomenda-se que pesquisas futuras se concentrem no estudo de técnicas mais eficientes e sustentáveis de downstream, tanto para o ácido láctico de primeira quanto o de segunda-geração. Também é necessário avaliar as implicações econômicas para as indústrias de açúcar e etanol a respeito da implementação de uma biorrefinaria que também produza ácido láctico a partir da cana-de-açúcar. Isso é fundamental para a implementação da produção de ácido lático de primeira e segunda-geração no mercado brasileiro Abstract: Lactic acid is an organic acid that has a wide range of well-established industrial applications, such as in the food, pharmaceutical, and cosmetic industries. New applications are frequently discovered and released in the market. Currently, its most highlighted applications are related to the medical industry, production of polymers - biodegradable or not - and its use as a building-block molecule for the production of other molecules in the chemical industry. This work presents the main aspects related to the production and separation/purification of first and second-generation lactic acid produced from sugarcane, considering upstream, downstream, market trends, perspectives, and challenges. Initially, it was performed a screening of microorganisms that resulted in the selection of a Lactobacillus plantarum strain to be used for the production of first and second-generation lactic acid. Sugarcane molasses is a rich nutritional source for the production of first-generation lactic acid. For countries where sugar cane is an important crop, its use may open up an opportunity for the implementation of a biorefinery that produces sugar, ethanol, yeast, electricity and lactic acid, as it has been done in the sugar and alcohol sectors. Using molasses as a substrate, it was produced 157.9 g/L of lactic acid, with a productivity of 5.4 g L-1 h-1 and a 95 % yield. Second-generation lactic acid was produced from the hemicellulosic fraction of hydrolyzed sugarcane bagasse. Using L. plantarum, it was obtained 34.5 g/L of lactic acid. This study also detected a phenomenon called bio-detoxification, in which the microorganism is not affected by the remaining inhibitors from the bagasse pretreatment, and it was able to decrease the concentrations of furfural and HMF by 98 % and 86 %, respectively. In order to increase the production of lactic acid, a strain of Bacillus coagulans was selected to produce lactic acid from the hemicellulosic fraction of the sugarcane bagasse. It produced 60.0 g/L of lactic acid, with a productivity of 1.7 g L 1 h-1 and 87 % of yield. This microorganism also showed the ability to bio-detoxify the fermentation broth, removing 100 % of the furfural and HMF present in the hydrolysate. Considering alternative processes of separation and purification of lactic acid, there are still several challenges to be overcome. Hybrid short path evaporation (HSPE) may be an alternative method for the recovery and purification of lactic acid, reducing the risk of thermal decomposition of molecules and avoiding the use of toxic solvents. It is an ecologically correct and balanced technique, with the scope and potential of the large-scale application. Front these reasons, HSPE was tested as an alternative method to the traditional process of lactic acid downstream. Using a fermentation broth from molasses, it was possible to reach a lactic acid concentration of 247.7 g/L, equivalent to 2.5 times higher than the initial fermentation broth (100.1 g/L). For second-generation lactic acid produced from hemicellulosic hydrolysate, it was achieved a maximum lactic acid concentration of 86.7 g/L, which is equivalent to 3.1 times the lactic acid concentration in the feed stream (27.9 g/L). In both cases, the results showed that all studied variables influenced the process: evaporator temperature, internal condenser temperature, and feed flow rate. These studies allowed the identification of different challenges in the separation of first and second-generation lactic acid. Finally, future research should focus on the study of more efficient and sustainable downstream techniques, both for first and second-generation lactic acid. It is also necessary assessing the economic implications for the sugar and ethanol industries’ of implementing a biorefinery that would also produce lactic acid from sugarcane. This is fundamental for the implementation of first and second-generation lactic acid production in the Brazilian market Doutorado Bioenergia Doutora em Ciências FAPESP 2013/26290-5 CAPES 001