Pilot-scale pretreatment of sugarcane straw using a combined sulfuric acid- and bisulfite-catalyzed steam explosion process for cellulosic ethanol production
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Data
Autores
Orientador
Gonçalves, Adilson Roberto 
Coorientador
Pós-graduação
Bioenergia - IPBEN
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 restrito
Resumo
Resumo (inglês)
Sugarcane straw represents a potential feedstock for cellulosic biorefineries in Brazil since green mechanized harvesting without burning has been adopted. Different strategies have been proposed to obtain pretreated solids highly digestible to enzymes because enzyme consumption represents a critical factor in the economic feasibility of cellulosic ethanol production. Acidcatalyzed steam explosion pretreatment has been considered a promising method to reduce biomass recalcitrance for enzymatic hydrolysis. However, pseudo-lignin (humin) formation during acid pretreatment can significantly reduce enzymatic hydrolysis performance. Bisulfite catalyst may react with pseudo-lignin precursors, mitigating the formation of high inhibitory humin-like structures. This work aimed to evaluate the pretreatment of sugarcane straw using a combined sulfuric acid- and bisulfite-catalyzed steam explosion process. Sugarcane straw was pretreated in a pilot-scale steam explosion system, using a soaking and dewatering procedure to impregnate catalysts and prepare straw for the pretreatment reaction. The influence of different soaking and pretreatment conditions was evaluated considering the glucose and xylose yields obtained during pretreatment and after the enzymatic hydrolysis with Cellic® CTec3 HS enzyme. The pretreated materials were characterized through different techniques to elucidate their composition and structure, including X-ray diffraction, FTIR spectroscopy, 13C solid-state NMR, confocal laser scanning microscopy, and 1H NMR relaxometry measurements. A set of acid-catalyzed initial experiments indicated an optimum pretreatment condition at nearly 1.90 severity. The acid- and bisulfite-catalyzed experiments revealed a significant positive effect of the combined higher soaking pHs and bisulfite addition on pretreated solids' accessibility to the enzyme. The pretreated straw obtained with 1.45 soaking pH, 1.65% w/w sodium metabisulfite addition (dry biomass basis), and about 1.90 pretreatment severity resulted in 100% accessibility and achieved the highest hydrolysis yields under the lowest enzyme dosages. Nevertheless, the results evidenced that at lower soaking pHs (~1.20) higher bisulfite dosages are required to mitigate pseudo-lignin formation and benefit hydrolysis performance. Finally, this work showed the possibility of reaching about 80% conversion of the straw polysaccharides to glucose and xylose through realistic process conditions of pretreatment and hydrolysis using 10 mg protein (BCA assay) per gram of cellulose of enzyme dosage.
Resumo (português)
A palha da cana-de-açúcar representa uma matéria-prima potencial para biorrefinarias celulósicas no Brasil, uma vez que a colheita mecanizada sem queima foi adotada. Diferentes estratégias têm sido propostas para obter sólidos pré-tratados altamente digeríveis por enzimas, visto que o consumo enzimático representa um fator crítico na viabilidade econômica da produção de etanol celulósico. O pré-tratamento por explosão a vapor catalisado por ácido tem sido considerado um método promissor para reduzir a recalcitrância da biomassa à hidrólise enzimática. No entanto, a formação de pseudo-lignina (humina) durante o pré-tratamento ácido pode reduzir significativamente o desempenho da hidrólise enzimática. O catalisador bissulfito pode reagir com precursores da pseudo-lignina, mitigando a formação de estruturas de humina altamente inibitórias. Este trabalho teve como objetivo avaliar o pré-tratamento da palha da cana-de-açúcar utilizando um processo combinado de explosão a vapor catalisado por ácido sulfúrico e bissulfito. A palha da cana-de-açúcar foi pré-tratada em um sistema de explosão a vapor em escala piloto, utilizando um procedimento de imersão e desaguamento para impregnar os catalisadores e preparar a palha para a reação de pré-tratamento. A influência de diferentes condições de embebição e pré-tratamento foi avaliada considerando os rendimentos de glicose e xilose obtidos durante o pré-tratamento e após a hidrólise enzimática com a enzima Cellic® CTec3 HS. Os materiais pré-tratados foram caracterizados por meio de diferentes técnicas para elucidar sua composição e estrutura, incluindo difração de raios X, espectroscopia FTIR, RMN de estado sólido de 13C, microscopia confocal de varredura a laser e medições de relaxometria por RMN de 1H. Um conjunto de experimentos iniciais catalisados por ácido indicou uma condição ideal de pré-tratamento com severidade próxima de 1,90. Os experimentos catalisados por ácido e bissulfito revelaram um efeito positivo significativo da combinação de pHs de embebição mais elevados e da adição de bissulfito na acessibilidade dos sólidos pré-tratados à enzima. A palha pré-tratada obtida com pH de embebição de 1,45, adição de 1,65% m/m de metabissulfito de sódio (com base na biomassa seca) e severidade de pré-tratamento em torno de 1,90 resultou em 100% de acessibilidade e atingiu os maiores rendimentos de hidrólise com as menores dosagens enzimáticas. No entanto, os resultados evidenciaram que em pHs de embebição mais baixos (~1,20) maiores dosagens de bissulfito são necessárias para mitigar a formação de pseudo-lignina e beneficiar a performance da hidrólise. Por fim, este trabalho mostrou a possibilidade de alcançar cerca de 80% de conversão dos polissacarídeos da palha em glicose e xilose sob condições realistas de processo de pré-tratamento e hidrólise, utilizando 10 mg de proteína (ensaio BCA) por grama de celulose na dosagem enzimática.
Descrição
Palavras-chave
Straw sugarcane, Cellulosic ethanol, Steam explosion, Pretreatment, Palha, Etanol celulósico, Cana-de-açúcar, Pré-tratamento
Idioma
Inglês
