Integrated process for production of briquettes and second-generation ethanol from agro-industrial and urban wastes

Abstract

O presente trabalho propôs a elaboração de um processo de Biorrefinaria Integrada para a produção simultânea de etanol de segunda geração (2G) e biocombustíveis sólidos densificados (briquetes) a partir de resíduos lignocelulósicos complexos de origem agroindustrial e urbana: Pseudocaule de Banana (BPS), Torta de Semente de Goiaba (GSC) e Poda de Árvores Urbanas (UTP). O estudo foi dividido em quatro etapas principais: otimização do pré-tratamento, aumento de escala, briquetagem e fermentação. Foi realizado um planejamento experimental 23 para otimizar as condições do pré-tratamento com ácido sulfúrico diluído, definindo as melhores condições em 40 min, 140 °C e 3,5% H2SO4 (m/v). A análise estatística confirmou que a solubilização de xilose (hidrólise ácida) e glicose (hidrólise enzimática) foram, respectivamente: 5,66 g.L-1 e 8,60 g.L-1 para BPS; 9,24 g.L-1 e 2,33 g.L-1 para GSC; e 8,13 g.L-1 e 1,06 g.L-1 para UTP. Em uma etapa de aumento da escala em laboratório (bench up-scale), onde a hidrólise enzimática foi eliminada, a concentração final de glicose em BPS, GSC e UTP foi de 8,10 g.L-1, 0,61 g.L-1, e 5,07 g.L-1, e a de xilose foi de 4,51 g.L-1, 4,0 g.L-1, e 6,22 g.L-1, respectivamente. Esses resultados validaram o processo de fracionamento para gerar um licor rico em açúcares fermentáveis. Houve também a produção de xilooligosacarídeos (XOS) durante o aumento de escala no pré-tratamento, com valores de 41,51% (xilobiose – X2) e 8,33% (xilopentaose – X5) para BPS, de 43,1% (X2) para GSC e de 20,57% (X2) e 7,75% (X5) para UTP. O resíduo sólido, enriquecido em celulose e lignina, foi submetido à briquetagem nas condições de 90 °C, 10 Mpa, 3 min de residência e 7 min de resfriamento. Todos os briquetes demonstraram durabilidade excepcional, ultrapassando 98,7%, com expansão volumétrica insignificante. Os resíduos de GSC pré-tratados exibiram as características mais vantajosas, incluindo menor teor de umidade, maior densidade aparente, valor de aquecimento superior (HHV) e composição aprimorada em termos de carbono fixo. A comparação entre resíduos brutos e pré-tratados revelou que os materiais pré-tratados apresentaram densidade de energia e HHV aprimorados, confirmando o benefício do fracionamento. Embora o GSC bruto tenha apresentado o melhor desempenho no teste de combustão (atingindo e sustentando a temperatura mais alta), os resultados de densificação consolidam o potencial logístico e energético dos materiais pré-tratados. Paralelamente, a etapa de fermentação utilizou a bactéria termofílica e xilose-utilizadora, Parageobacillus caldoxylosilyticus, aplicada ao hidrolisado gerado no pré-tratamento. A avaliação demonstrou que a condição de 10 g.L-1 de açúcares foi a ideal, com UTP e BPS apresentando o maior potencial. Contudo, o aumento da concentração de açúcares levou a uma queda drástica de eficiência, indicando a alta sensibilidade do microrganismo aos inibidores e uma tendência a desviar o fluxo metabólico para a produção de subprodutos (ácidos orgânicos) em detrimento do etanol. A baixa tolerância e a acentuada redução da produção pós-pico foram identificadas como gargalos biológicos cruciais para a aplicação em escala. Os resultados do estudo evidenciam o potencial dos resíduos e das técnicas utilizadas para a produção integrada de biocombustíveis sólidos e líquidos, validando o conceito de Biorrefinaria Integral. O principal avanço reside na identificação dos gargalos de processo na fermentação, direcionando a necessidade de engenharia metabólica para o uso industrial da bactéria termofílica e na validação de uma solução comercial para os briquetes.

This work proposed the development of an Integrated Biorefinery process for the simultaneous production of second-generation (2G) ethanol and densified solid biofuels (briquettes) from lignocellulosic residues of agro-industrial and urban origin: Banana Pseudostem (BPS), Guava Seed Cake (GSC), and Urban Tree Pruning (UTP). The study was divided into four main stages: pretreatment optimization, scale-up, briquetting, and fermentation. A 2³ experimental design was carried out to optimize the pretreatment conditions with diluted sulfuric acid, defining the best conditions of 40 min, 140 °C, and 3.5% H₂SO₄ (w/v). Statistical analysis confirmed that the solubilization of xylose (acid hydrolysis) and glucose (enzymatic hydrolysis) were respectively: 5.66 g.L-1 and 8.60 g.L-1 for BPS; 9.24 g.L-1 and 2.33 g.L-1 for GSC; and 8.13 g.L-1 and 1.06 g.L-1 for UTP. In a bench up-scale diluted acid pretreatment the final glucose concentration using BPS, GSC, and UTP was 8.10 g.L-1, 0.61 g.L-1, and 5.07 g.L-1, and the xylose concentration was 4.51 g.L-1, 4.0 g.L-1, and 6.22 g.L-1, respectively. These results validated the fractionation process for generating a liquor rich in fermentable sugars. There was also the production of xylooligosaccharides (XOS) during bench up-scale in the pretreatment, with values of 41.51% (xylobiose – X2) and 8.33% (xylopentaose – X5) for BPS, 43.1% (X2) for GSC, and 20.57% (X2) and 7.75% (X5) for UTP. The solid residue, enriched in cellulose and lignin, was subjected to briquetting under conditions of 90 °C, 10 MPa, 3 min residence time, and 7 min cooling time. All briquettes demonstrated exceptional durability, exceeding 98.7%, with negligible volumetric expansion. The pre-treated GSC residues exhibited the most advantageous characteristics, including lower moisture content, higher apparent density, superior heating value (HHV), and improved composition in terms of fixed carbon. The comparison between raw and pre-treated residues revealed that the pre-treated materials presented improved energy density and HHV, confirming the benefit of fractionation. Although the raw GSC showed the best performance in the combustion test (reaching and sustaining the highest temperature), the densification results consolidate the logistical and energy potential of the pre-treated materials. The fermentation stage utilized the thermophilic and xylose-utilizing bacterium, Parageobacillus caldoxylosilyticus, applied to the hydrolysate generated in the pretreatment. The evaluation demonstrated that the condition of 10 g.L-1 of sugars was ideal, with UTP and BPS showing the greatest potential. However, increasing the sugar concentration led to a drop in efficiency, indicating the microorganism's high sensitivity to inhibitors and a tendency to divert the metabolic flow towards the production of byproducts (organic acids) at the expense of ethanol. The low tolerance and the marked reduction in post-peak production were identified as crucial biological bottlenecks for large-scale application. The results of the study highlight the potential of the residues and techniques used for the integrated production of solid and liquid biofuels, validating the concept of an Integrated Biorefinery. The main breakthrough relates in identifying process bottlenecks in fermentation, highlighting the need for metabolic engineering for the industrial use of thermophilic bacteria and validating a commercial solution for briquettes.