PRODUÇÃO DE ÁCIDO LÁCTICO COMO PRECURSOR DE DERIVADOS QUÍMICOS DE ALTO VALOR AGREGADO

ÁCIDO LÁCTICO Betânia Hoss LunelliEESC/Universidade de São Paulo

Campinas, 18 de novembro de 2015.

1° Workshop sobre o Estado da Arte da Tecnologia de Produção de Etanol: de Olho na Segunda Geração – CTBE/CNPEM

ConteúdoTópicos a serem abordados

1 Introdução

2 O que é o Ácido Láctico?

3 Aplicações do Ácido Láctico

4 Produção do Ácido Láctico

5 Critérios para uma Produção Eficiente

IntroduçãoCiclo de Vida do Ácido Láctico

Ácido LácticoAçúcares

Poliácido Láctico(PLA)

Plásticos Biodegradáveis

CO2, H2O

Cana-de-Açúcar

Polimerização

Produção

Biodegradação

Fotossíntese

Extração

Fermentação

IntroduçãoDemanda Mundial de Ácido Láctico

O ácido láctico é um dos principais derivados químicos da biomassa, tendo um papel

fundamental para o futuro das biorrefinarias.

A crescente demanda por poli-ácido

láctico (PLA) e solventes verdes salienta a

atual produção de ácido lático por via

fermentativa.

Fonte: www.essentialchemicalindustry.org/materials-and-applications/biotechnology-in-the-chemical-industry.html

Produção estimada de 367.300 toneladas

para 2017 (Abdel-Rahman et al., 2013).

IntroduçãoPublicação de Artigos Científicos

Artigos relacionados a produção de ácido láctico – via fermentativa

Fonte: Scopus (2015) - http://www.scopus.com

Junho 2015

O que é o Ácido LácticoCaracterísticas e Propriedades

Altamente reativo devido sua dupla funcionalidade (hidroxila, carboxila).

Opticamente ativo.

Baixa volatilidade.

Miscível em água.

Biodegradável.

O que é o Ácido LácticoCaracterísticas e Propriedades

Fonte: Dusselier et al., 2013

Via Oxidação

Via EsterificaçãoVia Desidratação

Via Redução

Aplicações do Ácido LácticoProcessos Industriais

ÁCIDO LÁCTICO

Regulador de pH Neutralizante Intermediário quiral Solvente verde Agente de limpeza Agente redução ácida

Indústria Química

Poli-ácido láctico Lactato de etila Óxido de propileno Acetaldeído Ácido acrílico Ácido propanóico 2,3-pentanodiona Dilactídeo

Bloco Químico

Soluções Diálise Comprimidos Próteses Sutura cirúrgica Sistema de controle de drogas

Indústria Farmacêutica

Umectante Clareamento da pele Rejuvenescimento da pele Regulador de pH Agente anti-acne Agente anti-tártaro

Indústria de Cosméticos Acidulante Conservante Aromatizante Regulador de pH Propício para qualidade microbiana Fortificação mineral

Indústria de Alimentos

Produção do Ácido LácticoRotas de Produção

SÍNTESE QUÍMICA

Fonte Petroquímica

Acetaldeído(CH3CHO)

Lactonitrila

Mistura Racêmica (DL) Ácido Láctico

Adição de HCN e Catalisador

Hidrólise por H2SO4

FERMENTAÇÃO MICROBIANA

Fonte Renovável

Carboidratos Fermentescíveis

Vinho Fermentado

Isômeros Puros de Ácido Láctico D(-) ou L(+)

Fermentação Microbiana

Recuperação e Purificação

Produção do Ácido LácticoEscolha do Substrato

Baixo custo.

Baixo nível de contaminação .

Alto rendimento.

Baixa ou nenhuma formação de subprodutos.

Disponibilidade o ano inteiro.

Açúcar puro X substrato complexo?

Produção do Ácido LácticoEscolha do Substrato

Preço da matéria-prima vs custo de processamento

Com o aumento da pureza, o preço damatéria-prima aumenta, mas o custodo processo fermentativo diminui

Fonte: Deloitte, 2014 (adaptado) - http://www2.deloitte.com

Produção do Ácido LácticoProdução por Via Fermentativa

Bactérias lácticas ou fungos.

Divididas em quatro gêneros:

Lactobacillus

Leuconostoc

Pediococcus

Streptococcus

Produção do Ácido LácticoProdução por Via Fermentativa

Lactobacillus maior gênero da espécie muito

heterogêneo grande variedade de

propriedades.

Anaeróbias (aerotolerantes).

Eficiente fermentação de carboidratos.

Lactobacillus

Homofermentativas D-glyceraldehyde-3-phosphate ácido láctico (via EMP)

Heterofermentativas ácido láctico + etanol + CO2 + ácido acético

Habilidade sintética limitada adição de

vitaminas e fatores de crescimento.

Tolerantes a meio ácido (pH < 5,0) e altas

temperaturas (T > 40 °C).

Produção do Ácido LácticoRota Homofermentativa – Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)

GLUCOSE

2 LACTATE

Produção do Ácido LácticoRota Heterofermentativa

GLUCOSE

ETHANOL

ACETATELACTATE

Fonte de carbono.

Metabolismo.

Isomeria.

Temperatura de crescimento.

Tolerância a meio ácido.

Alta taxa de produção (menor tempo de fermentação)

Produção do Ácido LácticoSeleção do Microrganismo

Seleção do Microrganismo

Produção do Ácido LácticoModo de Operação

Batelada alto rendimento, baixa produtividade,

inibição pelo substrato e produto.

Batelada Alimentada alta concentração de produto,

ciclos longos, nutrientes em excesso (inicio), baixo

risco de contaminação.

Contínuo ótimas condições de produção, alta

produtividade, velocidade de crescimento

determinada pela taxa de diluição, risco de

contaminação, reduz os problemas de inibição celular.

Produção do Ácido LácticoEtapas de Separação e Purificação

Principal problema na produção de ácido láctico por via

fermentativa.

Presença de inúmeras impurezas: açúcares residuais,

nutrientes, ácidos orgânicos, massa celular, etc.

Baixa volatilidade (destilação direta) e alta afinidade

com a água.

Tendência natural à reação de autoesterificação.

Necessidade de desenvolvimento de um processo de Downstream eficiente e de baixo custo.

Produção do Ácido LácticoCritérios para um Processo Eficiente e Sustentável

MATÉRIA-PRIMA

FERMENTADOR

Remoção das células

Concentração

Purificação

MERCADO

Escolha do substrato:

Critérios: Produto final e quantidade de

produção.

Screening de microrganismos:

Critérios: Substrato, isomeria e alto rendimento.

Uso de linhagens mistas?

Adição de nutrientes:

Critérios: Quantidade, fontes alternativas.

Razão carbono/nitrogênio.

Produção do Ácido LácticoCritérios para um Processo Eficiente e Sustentável

MATÉRIA-PRIMA

FERMENTADOR

Remoção das células

Concentração

Purificação

MERCADO

Condições operacionais:

Temperatura e pH.

Redução da formação de resíduos:

Substituição do meio neutralizante.

Modo de operação (fermentação):

Batelada alimentada com pulsos e retirada de

produtos.

Reciclo de células.

Produção do Ácido LácticoCritérios para um Processo Eficiente e Sustentável

MATÉRIA-PRIMA

FERMENTADOR

Remoção das células

Concentração

Purificação

MERCADO

Fonte: Lunelli (2010)

Processo descontínuo pulsado:

Produção do Ácido LácticoCritérios para um Processo Eficiente e Sustentável

MATÉRIA-PRIMA

FERMENTADOR

Remoção das células

Concentração

Purificação

MERCADO

Separação e Purificação:

Esterificação e hidrólise do ácido láctico.

Remoção de ácido orgânicos contaminantes.

Intensificação do Processo

Destilação reativa.

Catalisadores eficientes.

C3H6O3 + C2H5OH ⇄ C5H1003 + H2O

C5H1003 + H2O ⇄ C3H6O3 + C2H5OH

Produção do Ácido LácticoCritérios para um Processo Eficiente e Sustentável

Intensificação do Processo: Uso de Colunas de Destilação Reativas

Produção do Ácido LácticoCritérios para um Processo Eficiente e Sustentável

Resíduos

Insumos

Matéria-prima

Produtos

Operações Unitárias

Critérios Rendimento e

seletividade Capacidade de

produção Consumo de energia Geração de resíduos Robustez, segurança Econômico

A otimização do processo depende das inter-relações das unidades de operação.

belunelli@gmail.com