Produção de Acetona, Butanol e Etanol Por Clostridium

UNIVERSIDADE FEDERAL FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA DE QUÍMICA Disciplina: / EQN

Produção de Acetona, Butanol e Etanol (ABE) por Clostridium

CÓDIGO: PROFESSOR: ALUNOS:

1. Produto A fermentação e obtenção de Acetona-Butanol-Etanol (ABE) a partir de culturas  puras de Clostridium é um processo industrial utilizado desde a metade do século 20  para a produção de solventes. Esses solventes podem ser usados na indústria ou como fonte de energia. O  processo de fermentação ABE é mais complicado que a fermentação do etanol isolado, e há um serio problema de inibição em baixas concentrações de butanol. O total de solventes (Acetona-Butanol-Etanol) raramente excede 20 g/L. Isto indica que somente  baixas concentrações de açúcares podem ser fermentados. Por consequência, há grandes volumes para processos downstream e tratamento de á guas residuárias. Originalmente, o produto principal desejado era a acetona para a produção de explosivos durante a Primeira Guerra Mundial. Após a guerra, aumentou-se a demanda  por butanol, e em 1945, 65% de todo butanol era obtido por processo ABE. Foi neste  período que a fermentação ABE atingiu o segundo lugar num ranking de escala de  produção e importância, ficando atrás somente da fermentação etanólica. A partir de 1950, rotas derivadas do petróleo se tornaram economicamente competitivas e além disso, a principal matéria prima era o melaço que aumentou de  preço devido a demanda para alimentação animal. Esses dois fatores levaram ao fim da fermentação industrial ABE na maior parte do mundo. A crescente demanda por energias renováveis para mitigar a emissão dos gases do efeito estufa tem incentivado o desenvolvimento de novas tecnologias e o aperfeiçoamento de processos já estabelecidos. Por esta razão, a fermentação ABE tem recebido um novo olhar para a produção do butanol, que tem uma enorme gama de aplicações energéticas e industriais. Butanol tem sido considerado um melhor  biocombustível que o etanol devido a sua maior densidade energética e por ser menos higroscópico. Porém, para tornar a fermentação ABE um processo viável, são necessários altos rendimentos de butanol e isso é geralmente atingido por engenharia e modificação genéticas das cepas de Clostridium empregadas. Devido à acetona não poder ser utilizada como biocombustível devido a sua corrosividade para peças compostas por borracha ou plástico, sua produção necessita ser minimizada ou suprimida a fim de não reduzir os rendimentos de butanol por unidade de massa de substrato utilizada, pode-se também converter a acetona em isopropanol por engenharia metabólica, utilizando-o como aditivo, a mistura obtida isopropanol, butanol, etanol (IBE) pode ser diretamente aplicada como biocombustível.

2. Cepa Cultivada Butanol, acetona e etanol são produzidos naturalmente por diferentes espécies do gênero Clostridium, podem-se citar: Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinckii, Clostridium  saccharobutylicum  e Clostridium  saccharoperbutylacetonicum. Atualmente, já existe um número considerável de trabalhos utilizando espécies geneticamente modificadas como Clostridium beijerinckii, entretanto, a espécie de ocorrência natural, C. acetobutylicum, ainda é a mais estudada e já aplicada em larga escala para fermentação ABE. Clostridium acetobutylicum é uma espécie de bactéria que fermenta açúcares em uma mistura de solventes orgânicos(ABE), sendo classificada como quimiorganotrófica. Ela obtém energia via fosforilação, o substrato age como doador e

aceptor de elétrons. Em particular, C. acetobutylicum  necessita de carboidratos como fonte de carbono e energia para sobrevivência. Bioprodutos distintos são obtidos em diferentes fases de crescimento deste microorganismo. Durante a fase exponencial, ocorre fixação de nitrogênio e formação de produtos primários como acetato e butirato, em seguida, a célula entra na fase estacionária, onde obtêm-se picos de produção de butanol e acetona. Essa separação temporal é vantajosa para evitar competição entre os dois processos. C. acetobutylicum  são bacilos gram-positivos, formadores de esporos e normalmente, anaeróbios obrigatórios. Eles podem sobreviver por algumas horas somente em condições aeróbias, nas quais há a formação de endoesporos que podem  perdurar por anos mesmo nestas condições ambientais severas. Ela não apresenta atividade da enzima catalase, importante para organismos aeróbios para conversão de peróxido de hidrogênio em água e oxigênio; porém apresenta enzimas que o permitem sobreviver em ambientes microtóxicos, como por exemplo, a superoxido dismutase.

3. Matéria-prima C. acetobutylicum é capaz de usar um número de diferentes carboidratos como energia e/ou fonte de carbono. Uma característica que torna este gênero de bactérias especialmente interessante para a produção de butanol: sua capacidade de metabolizar diferentes fontes de carbono como hexoses (glicose, frutose, galactose, manose, sucrose, lactose), pentoses (xylose e arabinose) e fontes de amido sem a necessidade de hidrólise dos polímeros de açúcares.

4. Escala e forma de produção Escala de bancada Produção em batelada alimentada.

5. Material / Geometria Vidro borosilicato Geometria cilíndrica.

6. Configuração e acessórios Tanque com agitação mecânica  pH-metro, termômetro, filtros de particulados, condensador, banho-maria, bomba  peristáltica, tubos de silicone.

7. Instrumentos e controles HPLC com coluna de troca iônica e detectores de índice de refração e UV/visível Espectrofotômetro capaz de medir absorbância em 600 nm Centrífuga de bancada com capacidade mínima de 5,000g

Analisador bioquímico com membranas de glicose