Pré-tratamento ácido e básico de bagaço de cana-de-açúcar e sacarificação enzimática

Abstract

O uso de subprodutos agroindustriais como a biomassa são usados para gerar o etanol de segunda geração. Essa estratégia é uma opção para aumentar a produção deste combustível em 30 % sem aumentar a área plantada de cana. Dessa forma, essa estratégia pode contribuir para diminuir o uso do petróleo e seus derivados, contribuindo significativamente para a redução dos impactos ambientais. Para que a produção de etanol celulósico seja economicamente viável é necessário que estas fontes lignocelulósicas sejam fracionadas de forma a disponibilizar a maior quantidade de carboidratos possível para o processo de fermentação alcoólica. No primeiro capítulo é apresentado uma revisão sobre os diferentes métodos de pré- tratamentos existentes que vem sendo utilizados abordando suas vantagens e desvantagens nos processos de produção de etanol. No segundo capítulo foi investigado o pré-tratamento de bagaço de cana de açúcar com ácido sulfúrico diluído e hidróxido de sódio e sacarificação enzimática. Buscou-se maximizar o rendimento de glicose na hidrólise enzimática de ambos os tratamentos. Foram examinadas várias condições de pré-tratamento com ácido sulffidrico aplicando o planejamento fatorial fracionado 2³: concentração de H2SO4 de 0,5-2% (g/L), tempo de reação de 10-50 minutos, a relação sólido-líquido de 0,5-1,5 (g/L) e temperatura constante de 121°C. A análise variância (ANOVA) mostrou que a associação dos fatores utilizados nos pré-tratamentos, não teve efeito significativo (p <0,05). O pré-tratamento que apresentou melhores rendimentos em glicose foi nas seguintes condições: 1,25% de ácido sulfúrico no tempo de 30 minutos de experimento e com relação sólido-líquido de 1,0. A temperatura foi mantida constante (121°C) em todas as condições testadas. Esta condição pré-tratamento utilizada reduziu 65,7 % o teor de hemicelulose e aumentou em 16,3 % o teor de celulose devido a solubilização da hemicelulose. As concentração de produtos gerados na degradação do açúcar, tais como o ácido acético (2,91 + ou - 0.03), furfural (0,12 + ou - 0,00), 0 hidroximetilfurfural (0,03 + ou - 0,00) (g/L), foram baixos em relação a outros trabalhos na literatura, sugerindo o bom potencial do hidrolisado para fermentação. Esses resultados indicam que a solubilização de hemiceluloses (65,7 %) favoreceu alto rendimento de glicose na hidrólise enzimática (36,1 g/L) quando comparada ao material in natura (5 g/L). Espectro de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) foi usado para determinar os principais constituintes presentes nas fibras do bagaço antes e após o pré- tratamento ácido somente. A principal diferença apresentada entre os espectros de infravermelho do bagaço de cana in natura e o pré-tratado foi encontrada em 585 e 3500 cm-¹ que referem à deformação assimétrica de grupos (C-OH) de celulose e possível estiramento de grupos (0-H) de polissacarídeos. A degradação térmica do bagaço de cana apresentados na termogravimetria apresentou dois passos de perda de massa atribuídos a liberação de umidade e decomposição do material lignocelulósico. A principal diferença apresentada entre as análises térmicas do bagaço de cana in natura e o pré-tratado no presente trabalho foi encontrada em temperaturas em torno de 200 a 400 °C que referem a degradação térmica principalmente de hemicelulose seguida de celulose. Após as etapas de pré-tratamento, os materiais lignocelulésicos apresentaram uma estrutura morfológica modificada, com as células vegetais livres de células de parénquima, conforme verificado pelas análises de Microscopia eletrônica de varredura (MEV). O pré-tratamento ácido gerou mudanças na conformação estrutural que desorganizou o bagaço e, posteriormente, facilitou o acesso das enzimas no processo de hidrólise enzimática. Foram examinadas várias condições de pré-tratamento com hidróxido de sódio após o tratamento ácido aplicando o planejamento fatorial fracionado 2³: concentração de NaOH de 1-2% (g/L), tempo de reação de 30-90 minutos, a relação sólido-líquido de O,5-1,5 (g/L) e temperatura constante de 121°C. 0 pré-tratamento básico que apresentou melhores rendimentos em glicose foi nas seguintes condições: 1% de hidróxido de sódio no tempo de 30 minutos de reação 6 com relação sólido-líquido de 1,5. A temperatura foi mantida constante (121°C) em todas as condições testadas. O coeficiente da variável S/L foi significativo e negativo, indicando que ao aumentar a relação sólido/líquido observa-se um maior rendimento em glicose na sacarificação enzimática. A ANOVA indicou que não houve ajuste do modelo, portanto a superfície de resposta não é confiável.

Agro-industrial by-products such as biomass are used to generate the second generation ethanol. This strategy is an option to increase the production of this fuel by 30%, without increasing the area planted with sugarcane. Thus, this strategy can help to raduce the use of oil and oil products, contributing significantly for the reduction of environmental impacts. For the cellulose ethanol production to be economically viable it is necessary that the lignocellulosic sources are fractionated, in order to provide the largest possible amount of carbohydrate particles available for the fermentation process. In the first chapter is presented an overview of the different existing pre-treatment methods that have been used, emphasizing on its advantages and disadvantages for the ethanol production process. In the second chapter, it was investigated the pre-treatment of sugarcane bagasse, with dilute sulfuric acid, sodium hydroxide and enzymatic saccharification. We sought to maximize the yield of glucose in the enzymatic hydrolysis of both treatments. We examined various conditions of pretreatment with sulfuric acid, by applying the fractional factorial design 2³: H2so4 concentration of 0,5- 2% (g/L); Reaction time 10-50 minutes, the solid-liquid ratio of 0,5 to 1,5 (g/L) and a constant temperature of 121°C. The analysis variance (ANOVA) showed that the combination of the factors used in the pre-treatments had no significant effect (p <0.05). The pretreatment show that the best yields of glucose was as follows: 1,25% sulfuric acid in 30 minutes time experiment and solid-liquid ratio of 1,0. The temperature was kept constant (121°C) under all conditions tested. This pre-treatment conditions used reduced 65.7% and a hemicellulose content of 16.3% increased the cellulose content due to solubilization of the hemicellulose. The concentrations of products generated by the degradation of the sugar, such as acetic acid (2,91 3: 0,03), furfural (0,12 + ou - 0,00), the hydroxymethylfurfural (0,03 + ou - 0,00) (g/L) were low compared to other studies in the literature, suggesting the potential for good hydrolyzate fermentation. These results indicate that solubilization of hemicelluloses (65,7%) resulted on high yield of glucose in the enzyme hydrolysis (36,1 g/L) compared to the material in nature (5 g/L). Infrared Fourier Transform spectrum (FTIR) was used to determine the major components present in pulp fibers before and afier the acid pretreatment alone. The main difi‘erence presented in the infrared spectra of sugarcane bagasse and the pretreated found at 585 and 3500 cm-¹ that refer to the asymmetric deformation groups (C-OH) cellulose and the stretch groups (OH) polysaccharide. The thermal degradation of sugarcane bagasse presented in thermogravimetry showed two mass loss steps attributed to the release of moisture and decomposition of the lignocellulosic material. The main difference appears between the thermal analysis of sugarcane bagasse and pre-treated in this work was found in temperatures around 200- 400 °C that refer mainly to thermal degradation of cellulose followed by hemicellulose. After the pre-treatment steps, the modified lignocellulosic material showed a morphological structure, with free plant parenchyma cells, as verified by analysis of electron microscopy scanning. The acid pretreatment has caused changes in structural conformation that disrupted the residue and subsequently facilitated access of the enzymes in an enzymatic process. Various conditions of pretreatment with sodium hydroxide, after applying the acid treatment, were examined on a fractional factorial design 23.; 1,-2% concentration of NaOH (g/L), 30-90 min reaction time compared to solid- Liquid 0,5-1,5 (g/L) and a constant temperature of 121°C. The basic pretreatment show that the best yields of glucose was as follows: 1% sodium hydroxide in time 30 minutes reaction and solid-liquid ratio of 1,5. The temperature was kept constant (121°C) under all conditions tested. The ratio S/L variable was significant and negative, indicating that the solid-liquid ratio increase observe a higher glucose yield in the saccharification enzyme. The ANOVA indicated that there was no model fit, so the response surface is unreliable.