Validation by Molecular Dynamics of the Major Components of Sugarcane Vinasse, On a Surface of Calcium Carbonate (Calcite)

Abstract

There is ongoing interest in the alcohol industry to significantly reduce and/or add value to the liquid residue, vinasse, produced after the distillation and rectification of ethanol from sugar cane. Vinasse contains potassium, glycerol, and a protein component that can cause environmental issues if improperly disposed of. Currently, some industries have optimized their processes to reduce waste, and a significant proportion of vinasse is being considered for use as an additive in other industrial processes. In the manufacture of cement and asphalt, vinasse has been used in the mixtures at low concentrations, albeit with some physical and mechanical problems. This work is the first molecular approximation of the components of the sugar cane vinasse in an industrial context, and it provides atomic details of complex molecular events. In the current study, the major components of sugar cane vinasse, alone or complexed on the surface of calcium carbonate, were modeled and simulated using molecular dynamics. The results showed that the protein component, represented by the mannoprotein Mp1p, has a high affinity for forming hydrogen bonds with potassium and glycerol in the vinasse. Additionally, it provides atomic stability to the calcium carbonate surface, preserving the calcite crystalline structure in the same way potassium ions interact with the carbonate group through ion–dipole interactions to improve the cohesion of the modeled surface. On the contrary, when the glycerol molecule interacts with calcium carbonate using more than two hydrogen bonds, it triggers the breakdown of the crystalline structure of calcite expanding the ionic pair.

Existe un interés constante en la industria del alcohol por reducir significativamente y / o agregar valor al residuo líquido, la vinaza, que se produce después de la destilación y rectificación del etanol de la caña de azúcar. La vinaza contiene potasio, glicerol y un componente proteico que puede causar problemas ambientales si se desecha de manera inadecuada. Actualmente, algunas industrias han optimizado sus procesos para reducir los residuos y se está considerando una proporción significativa de vinaza para su uso como aditivo en otros procesos industriales. En la fabricación de cemento y asfalto, la vinaza se ha utilizado en las mezclas en bajas concentraciones, aunque con algunos problemas físicos y mecánicos. Este trabajo es la primera aproximación molecular de los componentes de la vinaza de caña de azúcar en un contexto industrial y proporciona detalles atómicos de eventos moleculares complejos. En el estudio actual, los componentes principales de la vinaza de caña de azúcar, solos o acomplejados en la superficie del carbonato de calcio, se modelaron y simularon utilizando dinámica molecular. Los resultados mostraron que el componente proteico, representado por la manoproteína Mp1p, tiene una alta afinidad por formar enlaces de hidrógeno con el potasio y el glicerol en la vinaza. Además, proporciona estabilidad atómica a la superficie del carbonato de calcio, preservando la estructura cristalina de la calcita de la misma manera que los iones de potasio interactúan con el grupo carbonato a través de interacciones ion-dipolo para mejorar la cohesión de la superficie modelada. Por el contrario, cuando la molécula de glicerol interactúa con el carbonato de calcio usando más de dos enlaces de hidrógeno, desencadena la ruptura de la estructura cristalina de la calcita expandiendo el par iónico.