Produção de etanol de segunda geração a partir de folhas de Agave sisalana

A Agave sisalana, amplamente cultivada no Nordeste brasileiro, possui grande relevância socioeconômica, embora suas folhas sejam pouco aproveitadas na produção de sisal. Como alternativa para agregar valor à cadeia, sua utilização na produção de biocombustíveis desponta como uma solução promissora e sustentável. Neste sentido, este trabalho teve como objetivo avaliar o pré-tratamento do bagaço das folhas de Agave sisalana, variando o tempo, a temperatura, a concentração de sólidos e de ácido, por meio de um planejamento fatorial fracionado. Os efeitos das variáveis foram analisados a partir da solubilização das frações da biomassa, bem como da conversão dos polissacarídeos na etapa de hidrólise enzimática, realizada tanto com a lama (fração sólida + líquida) quanto com a fração sólida lavada. Também foi avaliado o impacto de possíveis inibidores formados no pré-tratamento nos processos biotecnológicos, assim como a contribuição das pentoses no balanço fermentativo. Os ensaios de pré-tratamento indicaram que a concentração de ácido e a temperatura foram as variáveis mais relevantes para a solubilização da celulose e das hemiceluloses, respectivamente. Na hidrólise enzimática, os inibidores formados durante o pré-tratamento não afetaram significativamente a conversão dos polissacarídeos. Os melhores resultados do balanço global de conversão de celulose e hemiceluloses dos sólidos lavados foram observados para o ensaio 4 (30 min, 200°C, 15% sólidos, sem ácido), com conversões de 70,6 ± 0,3% e 2,3 ± 0,1%, respectivamente. Já para os ensaios de hidrólise enzimática com a lama, os melhores resultados do balanço global foram observados para o ensaio 2 (30 min, 180°C, 15,0% sólidos, 0,5% ácido), com 60,32 ± 1,0% de celulose e 80,32 ± 0,2%, de hemiceluloses sendo convertidas. Durante a fermentação, observou-se um efeito inibitório dos compostos presentes no hidrolisado da lama sobre as leveduras fermentadoras de pentoses, exigindo uma etapa de detoxificação. Após uma etapa de evaporação, foi obtido um rendimento de etanol de 83,6 ± 1,0% empregando a levedura industrial de 2G Celere2L, restando apenas 11,4% de açúcares C5 no meio após 8 h de fermentação. Já na fermentação do hidrolisado da fração sólida, não foram observados problemas na etapa de fermentação, sendo obtido rendimento de 81,9 ± 0,3% empregando a levedura industrial 1G Ethanol Red® em biorreator. Esses resultados demonstram que o bagaço das folhas de Agave sisalana é uma matéria-prima promissora para a produção de E2G com potencial de gerar até 183,3 L de etanol/ton de bagaço na rota utilizando apenas a fração sólida, e 216,5 L de etanol/ton quando se considera a lama do pré-tratamento.

Resumo (inglês)

Agave sisalana, widely cultivated in Northeastern Brazil, holds significant socioeconomic importance, although its leaves are underutilized in sisal fiber production. As an alternative to add value to the production chain, its use in biofuel production has emerged as a promising and sustainable solution. In this context, the objective of this study was to evaluate the pretreatment of Agave sisalana leaf bagasse by varying time, temperature, solid loading, and acid concentration using a fractional factorial design. The effects of these variables were analyzed based on biomass fraction solubilization and polysaccharide conversion during the enzymatic hydrolysis step, which was carried out using both the slurry (solid + liquid fractions) and the washed solid fraction. Additionally, the impact of potential inhibitors formed during pretreatment on biotechnological processes was assessed, as well as the contribution of pentoses to the overall fermentation balance. Pretreatment experiments indicated that acid concentration and temperature were the most significant variables for cellulose and hemicellulose solubilization, respectively. In enzymatic hydrolysis, inhibitors formed during pretreatment did not significantly affect polysaccharide conversion. The best overall conversion results for washed solids were observed in experiment 4 (30 min, 200°C, 15% solids, no acid), with cellulose and hemicellulose conversion rates of 70.6 ± 0.3% and 2.3 ± 0.1%, respectively. For enzymatic hydrolysis of the slurry, the best overall conversion results were observed in experiment 2 (30 min, 180°C, 15.0% solids, 0.5% acid), with 60.32 ± 1.0% cellulose and 80.32 ± 0.2% hemicellulose conversion. During fermentation, inhibitory effects from compounds present in the slurry hydrolysate were observed on pentose-fermenting yeasts, requiring a detoxification step. After an evaporation step, an ethanol yield of 83.6 ± 1.0% was achieved using the industrial 2G ethanol yeast Celere2L, leaving only 11.4% of C5 sugars in the medium after 8 h of fermentation. In contrast, fermentation of the washed solid hydrolysate did not present any issues, achieving an ethanol yield of 81.9 ± 0.3% using the industrial 1G ethanol yeast Ethanol Red® in a bioreactor. These results demonstrate that Agave sisalana leaf bagasse is a promising feedstock for second generation (2G) ethanol production, with the potential to yield up to 183.3 L of ethanol per ton of bagasse when using only the solid fraction, and 216.5 L per ton when including the pretreatment slurry.

Palavras-chave

Biocombustíveis, Folha de sisal, Etanol de segunda geração, Hidrólise enzimática, Agave sisalana, Biofuels, Sisal leaf, Second generation ethanol, Enzymatic hydrolysis

Idioma

Português

Citação

VIDOTTO, J. C. D. Produção de etanol de segunda geração a partir de folhas de Agave sisalana. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) – Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, Botucatu, 2025.