Produção de etanol de segunda geração e de ácido láctico a partir da casca de arroz e do capim-elefante utilizando pré-tratamento a vapor e hidrólise enzimática
Resumo
A casca de arroz (CA) e o capim-elefante (CE) são matérias-primas lignocelulósicas abundantes no sul do Brasil, sendo fontes disponíveis para a conversão a inúmeros insumos químicos com valor agregado e biocombustíveis. Neste estudo, ambas as biomassas foram pré-tratadas por explosão a vapor não-catalisada, seguido de hidrólise, com o intuito de obter teores elevados de hexoses nos sólidos insolúveis em água (water insoluble solids – WIS) e pentoses no licor, para posterior fermentação a etanol e ácido láctico (AL), respectivamente. Assim, o efeito das variáveis temperatura (181 a 229 °C para a CA e 178 a 212 °C para o CE) e tempo (1,6 a 11,4 min para a CA e 5,9 a 10,1 min para o CE), utilizadas nos prétratamentos, foram avaliadas através de um delineamento experimental. De modo geral, dentre os distintos pré-tratamentos executados, aqueles envolvendo o uso da CA favoreceram a recuperação da hemicelulose contida no pré-hidrolisado, enquanto que aqueles envolvendo
o uso do CE foram mais susceptíveis à recuperação da celulose contida no WIS. Adicionalmente, foi possível verificar que condições intermediárias de temperatura e períodos prolongados de tempo conduziram à obtenção de teores balanceados de glicose no material pré-tratado e de xilose no filtrado, em um único experimento. Pré-tratamentos posteriores com o CE, conduzidos com agente catalisador ácido, evidenciaram uma melhora no rendimento dos açúcares de interesse em cada uma das frações-alvo. Para as hidrólises e fermentações
seguintes, a condição otimizada de 205 °C, por 11,5 min, foi usada para o pré-tratamento da CA; por sua vez, 190 °C, por 5 min, foi empregada para o pré-tratamento do CE, usando-se 2% (m/m) de ácido sulfúrico. Para ambos os materiais pré-tratados, ensaios de hidrólise enzimática indicaram as vantagens em empregarem-se cargas de sólidos elevadas, resultando solução mais concentrada em glicose, favorecendo a subsequente produção de etanol. Assim, os WIS foram submetidos à hidrólise usando elevada carga combinada com diferentes doses
de enzimas. Ensaios empregando carga de 20% (m/v) de sólidos, aliados a uma dose de enzima de 20 FPU g-1
substrato, beneficiaram a conversão de celulose em glicose, liberando 33,68 g L-1 (CA) e 95,57 g L-1
(CE) de glicose. Estratégias distintas de fermentação foram empregadas visando-se à produção de etanol: pré-hidrólise, hidrólise e fermentação separadas, e, sacarificação e fermentação simultâneas, sendo que esta última incrementou globalmente a produtividade do processo. A produção de etanol por Saccharomyces cerevisiae CAT-1 foi de 19,17 g L-1 (CA) e 42,25 g L-1
(CE) após 72 h de cultivo, empregando-se WIS como
substrato. Ainda, os filtrados foram destoxificados e empregados como substrato na produção de AL por Lactobacillus buchneri NRRL B-30929. No caso específico da CA explodida, o licor foi previamente submetido à hidrólise com um complexo enzimático produzido pelo fungo Penicillium echinulatum S1M29. Já o pré-tratamento catalisado para o CE atuou também como uma hidrólise ácida. Logo, os açúcares totais de cada um dos licores foram consumidos pela bactéria ácido-láctica, produzindo-se uma mistura racêmica de DL-AL, totalizando 12,69 g L-1 (CA) e 13,35 g L-1 (CE) após 30 h de cultivo. Os dados resultantes indicam que tanto a CA quanto o CE são potenciais recursos renováveis, que podem gerar bioprodutos da plataforma de building blocks com base em pentoses e, ao mesmo tempo, produzir etanol de segunda geração a partir de hexoses. Ademais, a possível inserção destas matérias-primas, de baixo custo de mercado, pode fomentar a geração de processos com inovação tecnológica, contribuindo, além disso, para a redução de problemas de caráter ambiental.