Produção do Ácido Láctico

1° Workshop sobre o Estado da Arte da Tecnologia de Produção de Etanol:
de Olho na Segunda Geração – CTBE/CNPEM
ÁCIDO LÁCTICO
PRODUÇÃO DE ÁCIDO LÁCTICO
COMO PRECURSOR DE
DERIVADOS QUÍMICOS DE
ALTO VALOR AGREGADO
Betânia Hoss Lunelli
EESC/Universidade de São Paulo
Campinas, 18 de novembro de 2015.
Conteúdo
Tópicos 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
Introdução
Ciclo de Vida do Ácido Láctico
Fermentação
Ácido Láctico
Açúcares
Polimerização
Extração
Poliácido Láctico
(PLA)
Cana-de-Açúcar
Produção
Fotossíntese
CO2, H2O
Biodegradação
Plásticos
Biodegradáveis
Introdução
Demanda Mundial de Ácido Láctico
 O ácido láctico é um dos principais derivados químicos da biomassa, tendo um papel
fundamental para o futuro das biorrefinarias.
 Produção estimada de 367.300 toneladas
para 2017 (Abdel-Rahman et al., 2013).
 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-andapplications/biotechnology-in-the-chemical-industry.html
Introdução
Publicação de Artigos Científicos
Artigos relacionados a produção de ácido láctico – via fermentativa
Junho
2015
Fonte: Scopus (2015) - http://www.scopus.com
O que é o Ácido Láctico
Características e Propriedades
 Altamente reativo devido sua dupla funcionalidade (hidroxila, carboxila).
 Opticamente ativo.
 Baixa volatilidade.
 Miscível em água.
 Biodegradável.
O que é o Ácido Láctico
Características e Propriedades
Via Redução
Via Desidratação
Via Esterificação
Via Oxidação
Fonte: Dusselier et al., 2013
Aplicações do Ácido Láctico
Processos Industriais
Indústria de Alimentos
Indústria de Cosméticos
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Umectante
Clareamento da pele
Rejuvenescimento da pele
Regulador de pH
Agente anti-acne
Agente anti-tártaro
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Acidulante
Conservante
Aromatizante
Regulador de pH
Propício para qualidade microbiana
Fortificação mineral
Indústria Química
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Regulador de pH
Neutralizante
Intermediário quiral
Solvente verde
Agente de limpeza
Agente redução ácida
Bloco Químico
Indústria Farmacêutica
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Soluções
Diálise
Comprimidos
Próteses
Sutura cirúrgica
Sistema de controle de drogas
ÁCIDO LÁCTICO
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Poli-ácido láctico
Lactato de etila
Óxido de propileno
Acetaldeído
Ácido acrílico
Ácido propanóico
2,3-pentanodiona
Dilactídeo
Produção do Ácido Láctico
Rotas de Produção
SÍNTESE
QUÍMICA
FERMENTAÇÃO
MICROBIANA
Fonte
Petroquímica
Fonte
Renovável
Acetaldeído
(CH3CHO)
Carboidratos
Fermentescíveis
Adição de HCN e Catalisador
Lactonitrila
Hidrólise por H2SO4
Mistura Racêmica
(DL) Ácido Láctico
Fermentação Microbiana
Vinho
Fermentado
Recuperação e Purificação
Isômeros Puros de
Ácido Láctico D(-) ou L(+)
Produção do Ácido Láctico
Escolha 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 Láctico
Escolha do Substrato
Preço da matéria-prima vs custo de processamento
Com o aumento da pureza, o preço da
matéria-prima aumenta, mas o custo
do processo fermentativo diminui
Fonte: Deloitte, 2014 (adaptado) - http://www2.deloitte.com
Produção do Ácido Láctico
Produção por Via Fermentativa
 Bactérias lácticas ou fungos.
 Divididas em quatro gêneros:
Pediococcus
Lactobacillus
Leuconostoc
Streptococcus
Produção do Ácido Láctico
Produção por Via Fermentativa
 Lactobacillus  maior gênero da espécie  muito
heterogêneo  grande variedade de
propriedades.
 Anaeróbias (aerotolerantes).
 Eficiente fermentação de carboidratos.
 Habilidade sintética limitada  adição de
vitaminas e fatores de crescimento.
 Tolerantes a meio ácido (pH < 5,0) e altas
Lactobacillus
temperaturas (T > 40 °C).
 Homofermentativas  D-glyceraldehyde-3-phosphate  ácido láctico (via EMP)
 Heterofermentativas  ácido láctico + etanol + CO2 + ácido acético
Produção do Ácido Láctico
Rota Homofermentativa – Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)
GLUCOSE
2 LACTATE
Produção do Ácido Láctico
Rota Heterofermentativa
GLUCOSE
LACTATE
ACETATE
ETHANOL
Produção do Ácido Láctico
Seleção do Microrganismo
 Fonte de carbono.
 Metabolismo.
 Isomeria.
 Temperatura de crescimento.
 Tolerância a meio ácido.
 Alta taxa de produção (menor tempo de fermentação)
Seleção do Microrganismo
Produção do Ácido Láctico
Modo 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 Láctico
Etapas 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 Láctico
Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável
MATÉRIA-PRIMA
FERMENTADOR
Remoção das
células
 Escolha do substrato:
Critérios: Produto final e quantidade de
produção.
 Screening de microrganismos:
Critérios: Substrato, isomeria e alto rendimento.
Concentração
Purificação
Uso de linhagens mistas?
 Adição de nutrientes:
Critérios: Quantidade, fontes alternativas.
MERCADO
Razão carbono/nitrogênio.
Produção do Ácido Láctico
Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável
MATÉRIA-PRIMA
FERMENTADOR
Remoção das
células
 Condições operacionais:
 Temperatura e pH.
 Redução da formação de resíduos:
 Substituição do meio neutralizante.
 Modo de operação (fermentação):
Concentração
Purificação
 Batelada alimentada com pulsos e retirada de
produtos.
 Reciclo de células.
MERCADO
Produção do Ácido Láctico
Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável
MATÉRIA-PRIMA
Processo descontínuo pulsado:
FERMENTADOR
Remoção das
células
Concentração
Purificação
MERCADO
Fonte: Lunelli (2010)
Produção do Ácido Láctico
Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável
MATÉRIA-PRIMA
 Separação e Purificação:
 Esterificação e hidrólise do ácido láctico.
FERMENTADOR
C3H6O3 + C2H5OH ⇄ C5H1003 + H2O
Remoção das
células
C5H1003 + H2O ⇄ C3H6O3 + C2H5OH
 Remoção de ácido orgânicos contaminantes.
Concentração
 Intensificação do Processo
Purificação
 Destilação reativa.
 Catalisadores eficientes.
MERCADO
Produção do Ácido Láctico
Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável
Intensificação do Processo: Uso de Colunas de Destilação Reativas
Produção do Ácido Láctico
Critérios para um Processo Eficiente e Sustentável
Insumos
Critérios
Produtos
Matéria-prima
Resíduos
Operações Unitárias
 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.
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