Efeito de pré-tratamento hidrotérmico na hidrólise enzimática de bagaço de cana-de-açúcar - Silva, Ricardo Justino da (My University, 2021)
The lignocellulosic materials as a source of renewable energy are an alternative to increase the energy matrix and reduce the environmental impacts caused by fossil fuels. In Brazil, the residue of the processing of sugar cane for sugar and ethanol sector has great potential to become raw material for ethanol production. The sector generated in the harvest of 2010/2011 about 173 million tons of sugar cane bagasse. This residue is rich in cellulose, biopolymers consisting of glucose molecules, linked by β-1,4 glycosidic bonds which can be converted to ethanol by fermentation, but one of the bottlenecks in the technology for producing ethanol from lignocellulose materials in industrial scale is a need for a pretreatment step to optimize the enzymatic hydrolysis process of the cellulose and hemicellulose to obtain fermentable sugars. The purpose of this study was to evaluate the effect of hydrothermal pretreatment with application of saturated steam, without explosive decompression and perform the hydrolysis of sugar cane bagasse pretreated hydrothermally using hemicellulolytic and cellulolytic enzymes produced by the fungus Penicillium echinulatum 9A02S1, evaluating the yield of fermentable sugars and efficiency of the pretreatment for obtaining these sugars. For this, it was performed an experimental planning CCRD (Central Composite Rotational Design) for response surface methodology (RSM) to determine the effect of the variable time of 5 min to 25 min, and the variable temperature of 169°C to 211°C. The biomass composition obtained after pretreatment were evaluated by the method of Van Soest for determination of fiber and the morphology by scanning electron microscopy (SEM), as the composition of the liquid phase resulting from the pre-treatment was assessed by high performance liquid chromatography (HPLC). Enzymatic hydrolysis was performed with enzyme load of 15 FPU/g of substrate, at 50°C, with periodic samples collection until 60h. T released sugars were measured by the DNS method for reducing sugars (RS) and PAP kit of glucose Liquiform, Labtest®. The hydrolysis of sugar cane bagasse sugar pretreated hydrothermally for 8 min and 205°C showed quantities of ARTs 698.54±46.2 mg/g dry biomass hydrolyzed after 36 h of hydrolysis reaching a gain of up to 311.8% hydrolysis after 24 hours compared to non-pretreated bagasse. This pretreatment obtained a weight loss of 14.97% of mass, due to the hydrothermal pretreatment, and the liquid phase resulting from this pretreatment there was obtained a concentration of 0.249 g/L of 5-HMF and 0.357 g/L furfural, with 2.142 g/L glucose and 3.931 g/L xylose, sugars that can be recovered. The efficiency of the pretreatment depends mainly on the residence time in the reactor and the temperature thereof, and the suitability of these parameters along with the economic attractiveness and viability of a challenge. [resumo fornecido pelo autor]
Os materiais lignocelulósicos como fonte de energia renovável são uma alternativa para aumentar a matriz energética e diminuir os impactos ambientais causados pelos combustíveis fósseis. No Brasil, o resíduo do processamento da cana-de-açúcar pelo setor sucroalcooleiro tem grande potencial para se tornar matéria-prima para a produção de etanol. O setor gerou na safra de 2010/2011 cerca de 173 milhões de toneladas de bagaço de cana-de-açúcar. Este resíduo é rico em celulose, biopolímero composto por moléculas de glicose, unidas por ligações β-1,4 glicosídicas, que podem ser convertidas a etanol por via fermentativa, porém um dos gargalos tecnológicos para a produção do etanol a partir de materiais lignocelulósicos em escala industrial é a necessidade de uma etapa de pré-tratamento que possibilite, de forma ótima, a ação enzimática no processo de hidrólise da celulose e hemicelulose para obtenção de açúcares fermentescíveis. O intuito deste trabalho foi avaliar o efeito do pré-tratamento hidrotérmico com aplicação de vapor saturado, sem descompressão explosiva e realizar a hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado hidrotérmicamente por meio de enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas produzidas pelo micro-organismo P. echinulatum linhagem 9A02S1, avaliando o rendimento em açúcares fermentescíveis e a eficiência do pré-tratamento para a obtenção destes. Para isto, foi realizado um planejamento experimental composto central rotacional (CCDR) para metodologia de superfície de resposta (MSR) para verificar o efeito da variável tempo, de 5 min a 25 min, e da variável temperatura, de 169ºC a 211ºC. A composição das biomassas obtidas após os pré-tratamentos foram avaliadas pelo método de Van Soest para determinação de fibras e morfologicamente por microscopia eletrônica de varredura (MEV), já a composição da fase líquida resultante do pré-tratamento foi avaliada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). A hidrólise enzimática foi realizada com carga enzimática de 15 FPU/g de substrato, em condições ótimas, e com coletas periódicas totalizando 60h de hidrólise, os açúcares liberados foram quantificados pelo método DNS para açúcares redutores totais (ARTs) e por kit de glicose PAP Liquiform, Labtest®. A hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado hidrotérmicamente por 8 min e 205°C apresentou rendimento em ARTs de 698,54±46,2 mg/g de biomassa seca hidrolisada após 36h de hidrólise chegando a um ganho de até 311,8% após 24h de hidrólise em relação ao bagaço não pré-tratado, obteve-se uma perda mássica de 14,97% do bagaço, decorrente do pré-tratamento hidrotérmico, e na fase líquida resultante deste pré-tratamento obteve-se uma concentração de 0,249 g/L de 5-HMF e 0,357g/L de furfural, apresentando 2,142 g/L de glicose e 3,931 g/L xilose, açúcares que podem ser recuperados. A eficiência do pré-tratamento depende, principalmente, do tempo de residência no reator e da temperatura deste, sendo a adequação destes parâmetros juntamente com a viabilidade e atratividade econômica um desafio. [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Engenharia química; Bagaço de cana; Hidrólise; Biotecnologia; Lignocelulose