Otimização biotecnológica de Kappaphycus alvarezii para a produção de bioetanol

Orientadora: Profa. Dra. Adenise Lorenci Woiciechowski

Coorientador: Prof. Dr. Carlos Ricardo Soccol

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 11/04/2025

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Resumo: A produção de bioetanol de terceira geração a partir da macroalga vermelha Kappaphycus alvarezii foi investigada através de uma abordagem integrada de biorrefinaria marinha. A caracterização da biomassa revelou composição favorável com 41,23% de carboidratos fermentescíveis, 19,29% de proteínas e ausência de lignina, facilitando significativamente os processos de conversão em comparação às biomassas lignocelulósicas terrestres. O processo de hidrólise ácida foi otimizado por um Delineamento Composto Central Circunscrito, identificando as condições ótimas de 126°C, 3% H SO e 15 minutos, que proporcionaram conversão próxima ao teórico máximo dos carboidratos totais em açúcares fermentescíveis (~41 g/L). Análises cromatográficas apontaram ausência de inibidores fermentativos como HMF, furfural ou ácido levulínico, eliminando a necessidade de etapas de detoxificação. Estudos de escalonamento revelaram limitações de transferência de massa, com redução significativa da eficiência de conversão. A estratégia fermentativa empregou co fermentação de Saccharomyces cerevisiae e Kluyveromyces marxianus adaptadas ao substrato hidrolisado da macroalga, rico em galactose. Esta abordagem sinérgica superou significativamente as fermentações individuais, alcançando 87,44% de eficiência de conversão, produção de 16,05 g/L de etanol e produtividade volumétrica de 0,167 g/L·h. O balanço de carbono demonstrou aproveitamento superior, com 50,90% do carbono convertido em etanol, 25,45% em CO e 11,37% de perdas não contabilizadas. Os resultados demonstram a viabilidade técnica de K. alvarezii como matéria-prima renovável para bioetanol de terceira geração, alinhando-se aos princípios da bioeconomia azul e economia circular, embora sejam necessárias otimizações de escalonamento para a aplicação industrial

Abstract: Third-generation bioethanol production from the red macroalga Kappaphycus alvarezii was investigated through an integrated marine biorefinery approach. Biomass characterization revealed favorable composition with 41.23% fermentable carbohydrates, 19.29% proteins, and absence of lignin, significantly facilitating conversion processes compared to terrestrial lignocellulosic biomasses. The acid hydrolysis process was optimized through a Central Composite Circumscribed Design, identifying optimal conditions of 126°C, 3% H SO , and 15 minutes, which provided conversion close to the theoretical maximum of total carbohydrates into fermentable sugars (~41 g/L). Chromatographic analyses indicated absence of fermentative inhibitors such as HMF, furfural, or levulinic acid, eliminating the need for detoxification steps. Scale-up studies revealed mass transfer limitations, with significant reduction in conversion efficiency. The fermentative strategy employed co-fermentation of Saccharomyces cerevisiae and Kluyveromyces marxianus adapted to the macroalga hydrolysate substrate, rich in galactose. This synergistic approach significantly outperformed individual fermentations, achieving 87.44% conversion efficiency, 16.05 g/L ethanol production, and volumetric productivity of 0.167 g/L·h. Carbon balance demonstrated superior utilization, with 50.90% of carbon converted to ethanol, 25.45% to CO , and 11.37% unaccounted losses. Results demonstrate the technical feasibility of K. alvarezii as renewable feedstock for third-generation bioethanol, aligning with blue bioeconomy and circular economy principles, although scale-up optimizations are required for industrial application.