Valorização da biomassa de cana-de-açúcar em dois cenários: fermentação para produção de biolipídios e desenvolvimento de biocompósitos
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Data
Orientador
Medina, Kelly Johana Dussán 
Coorientador
Pós-graduação
Biotecnologia - IQAR
Curso de graduação
Título da Revista
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Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
A biomassa lignocelulósica é uma matéria-prima promissora para rotas biológicas de produção, permitindo a obtenção de bioprodutos de alto valor agregado e impulsionando a bioeconomia. Neste contexto, a integração de processos em biorrefinarias é essencial para o aproveitamento eficiente dos diferentes componentes da biomassa. Este trabalho propõe dois cenários de valorização da biomassa de cana-de-açúcar: (i) a fermentação dos açúcares hemicelulósicos por Rhodosporidium toruloides para a produção de biolipídios e (ii) a fabricação de biocompósitos empregando celulose-lignina. Etapas de tratamentos químicos com ácido diluído (H2SO4) e alcalino (NaOH) para fracionamento da biomassa foram empregadas. Na primeira etapa, três cepas de R. toruloides, isoladas do bioma brasileiro, foram submetidas a um protocolo de adaptação visando aumentar a tolerância a compostos inibitórios gerados no pré-tratamento da biomassa. Esta é a primeira vez que essas cepas foram avaliadas quanto à acumulação lipídica e à tolerância ao hidrolisado hemicelulósico. A produção de óleo microbiano e o crescimento das leveduras foram comparados entre cepas adaptadas e não adaptadas, revelando que a adaptação aumentou a tolerância a compostos tóxicos, especialmente ácido acético e lignina solúvel em ácido. Como resultado, a acumulação lipídica nas cepas adaptadas foi aprimorada em 1,69, 2,51 e 2,84 vezes para R. toruloides 2781, 2882 e 2896, respectivamente. A cepa R. toruloides 2896 demonstrou o melhor desempenho, alcançando uma produtividade de 16,6 ± 0,63 mg. L⁻¹.h⁻¹. Na segunda etapa, biocompósitos foram produzidos explorando a capacidade de auto-ligação dos componentes da biomassa. Foram avaliados os efeitos da temperatura (160, 180 e 200 °C) e da pressão de prensagem (8, 24 e 40 MPa) nas propriedades mecânicas dos materiais. A condição ótima (180 °C, 40 MPa, 20 min) resultou em biocompósitos com resistência à flexão de 30,21 MPa. Além disso, a lignina recuperada do licor negro gerado na produção da polpa celulósica foi testada como adesivo natural para aprimorar as propriedades físicas e mecânicas dos biocompósitos. Foram utilizadas proporções de 10, 15 e 20% de lignina combinadas à polpa celulósica. A incorporação de até 15% de lignina melhorou as propriedades mecânicas, sendo que a maior resistência à flexão (56,06 MPa) e o maior módulo de flexão (1,42 GPa) foram obtidos com 15% de lignina. Além disso, a presença de lignina conferiu maior hidrofobicidade aos biocompósitos, aumentando o ângulo de contato da água de 58,90° (sem lignina) para 91,48°, o que pode estar associado à formação de uma camada superficial hidrofóbica que reduziu a infiltração de água. Esta pesquisa explora a produção de dois bioprodutos a partir dos resíduos da cana-de-açúcar, valorizando diferentes frações da biomassa lignocelulósica. Os biolipídios produzidos consistem em matéria-prima potencial para produção de biocombustíveis, enquanto os biocompósitos podem ser utilizados em aplicações em ambientes secos, como decoração de interiores e produtos manufaturados, incluindo móveis de pequeno porte, como armários, além de painéis e revestimentos. A integração dessas estratégias em biorrefinarias amplia as possibilidades de aproveitamento da biomassa, promovendo cadeias produtivas mais sustentáveis e alinhadas aos princípios da economia circular.
Resumo (inglês)
Lignocellulosic biomass is a promising feedstock for biological production pathways, enabling the generation of high value bioproducts and driving the bioeconomy. In this context, process integration in biorefineries is essential for efficiently utilizing the different biomass components. This study proposes two valorization strategies for sugarcane biomass: (i) the fermentation of hemicellulosic sugars by Rhodosporidium toruloides for biolipid production and (ii) the fabrication of cellulose-lignin based biocomposites. Biomass fractionation was achieved through chemical treatments using diluted acid (H2SO4) and alkaline (NaOH). In the first stage, three strains of R. toruloides, isolated from the Brazilian biome, underwent an adaptation protocol to enhance their tolerance to inhibitory compounds generated during biomass treatment. This is the first time these strains have been evaluated for lipid accumulation and tolerance to hemicellulosic hydrolysate. Microbial oil production and yeast growth were compared between adapted and non-adapted strains, revealing that adaptation improved tolerance to toxic compounds, particularly acetic acid and acid-soluble lignin. As a result, lipid accumulation in the adapted strains increased by 1.69, 2.51, and 2.84 times for R. toruloides 2781, 2882, and 2896, respectively. The R. toruloides 2896 strain exhibited the best performance, achieving a productivity of 16.6 ± 0.63 mg. L⁻¹.h⁻¹. In the second stage, biocomposites were produced by leveraging the selfbonding capacity of biomass components. The effects of temperature (160, 180, and 200 °C) and pressing pressure (8, 24, and 40 MPa) on the mechanical properties of the materials were evaluated. The optimal condition (180 °C, 40 MPa, 20 min) resulted in biocomposites with a flexural strength of 30.21 MPa. Additionally, lignin recovered from the black liquor generated during pulp production was tested as a natural adhesive to improve the physical and mechanical properties of the biocomposites. Lignin proportions of 10, 15, and 20% were combined with cellulose pulp, maintaining the best processing conditions. Incorporating up to 15% lignin enhanced the mechanical properties, with the highest flexural strength (56.06 MPa) and flexural modulus (1.42 GPa) achieved at 15% lignin. Furthermore, lignin incorporation increased the hydrophobicity of the biocomposites, raising the water contact angle from 58.90° (without lignin) to 91.48°, which may be attributed to a hydrophobic surface layer that reduced water infiltration. This research explores the production of two bioproducts from sugarcane residues, valorizing different fractions of lignocellulosic biomass. The produced biolipids serve as potential feedstock for biofuel production, while the biocomposites are suitable for applications in dry environments, such as interior decoration and manufactured products, including small furniture, like cupboards, as well as panels and coatings. The integration of these strategies into biorefineries expands biomass utilization possibilities, fostering more sustainable production chains aligned with the principles of the circular economy.
Descrição
Palavras-chave
Leveduras oleaginosas, Biomassa lignocelulósica, Bioadesivos, Biocompósitos, Economia circular
Idioma
Português
