Fermentação etanólica de hidrolisados de subprodutos de cana-de-açúcar submetidos por diferentes pré-tratamentos

Miranda Roldán, Ismael Ulises

Fermentação etanólica de hidrolisados de subprodutos de cana-de-açúcar submetidos por diferentes pré-tratamentos

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Data

2024-10-04

Autores

Miranda Roldán, Ismael Ulises

Supervisor

Masarin, Fernando

Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Tipo

Relatório de pós-doc

Direito de acesso

Acesso restrito

Resumo

Resumo (português)

O presente trabalho tem dois resumos, apresentados no formato de dois artigos científicos já escritos na língua inglês. Primeiro resumo: O termotratamento é um pré-tratamento promissor porque é simples, de baixo custo e ecologicamente correto e facilita o acesso das celulases na etapa de hidrólise enzimática. Embora existam vários estudos sobre hidrólise enzimática em SB e poucos SS, o estudo comparativo entre a hidrólise enzimática desses resíduos termotratados ainda não foi publicado. As amostras foram caracterizadas quimicamente, seguidas de hidrólise enzimática de SB e SS termotratados e estudo de parâmetros cinéticos. O bagaço de cana-de-açúcar (SB) foi termotratado a 161,9°C por 75,3 min e a palha de cana-de-açúcar (SS) a 177,2°C por 64,8 min, resultando em níveis de celulose de 40,4 e 50,7%, respectivamente. A hidrólise enzimática dos subprodutos termotratados resultou em maiores conversões de celulose em glicose e concentrações do que os subprodutos não tratados. Hidrólises com aumento de carga de massa de 1, 5, 10, 20% foram realizadas e SB e SS atingiram conversões máximas na consistência de 20% (63,6 e 73,1%) e concentração máxima de glicose de 63,8 e 89,2 gL-1, respectivamente. Em ensaios com aumento de carga enzimática de 15, 20 e 30 FPU.g-1 as conversões máximas de celulose para glicose de SB e SS foram de 93,6 e 94,5%, resultando em concentrações de glicose de 105,1 e 124,8 gL-1, respectivamente. A análise das taxas máximas de formação de glicose estimadas para os ensaios realizados sob diferentes consistências mostrou que houve diferenças significativas entre os ensaios, exceto entre os ensaios realizados a 1% e 5%, enquanto as taxas máximas de formação de glicose estimadas nos ensaios com variação de carga enzimática mostraram que houve diferenças significativas entre os ensaios realizados a 10, 15 e 20 FPU, mas os ensaios a 20 e 30 FPU não apresentaram diferenças significativas. Assim, os ensaios realizados no biorreator mostraram que houve rápida liquefação da biomassa, tanto SB quanto SS, quando comparados ao erlenmeyer. A conversão máxima e a concentração de glicose alcançadas foram maiores no teste realizado com SB e SS no biorreator e erlenmeyer. Houve pouca diferença significativa nas concentrações de glicose durante a maior parte do tempo de hidrólise enzimática. Segundo resumo: A desconstrução da biomassa lignocelulósica por pré-tratamentos químicos ou combinados, como sulfito-NaOH usando altas temperaturas, não é uniforme, gerando algumas frações líquidas com alto valor agregado (lignina sulfonada) e frações sólidas (polpa celulósica). Embora existam vários estudos separados sobre hidrólise enzimática em SB e SS, o estudo comparativo entre o pré-tratamento com sulfato-NaOH dos subprodutos, seguido da hidrólise enzimática desses resíduos, e finalizando com a fermentação desse hidrolisado ainda não foi publicado. As amostras foram caracterizadas química e estruturalmente, seguidas de hidrólise enzimática dos subprodutos da cana-de-açúcar, pré-tratamento, estudo dos parâmetros cinéticos e fermentação desses hidrolisados. O pré-tratamento com sulfito-NaOH reduziu significativamente o teor de lignina dos subprodutos e exibiu a maior eficiência na hidrólise enzimática de celulose e xilana, atingindo conversões de 88,49 e 63,40%, 92,24 e 65,99%, para SB e SS, respectivamente. A hidrólise enzimática a 20% de consistência resultou em uma taxa máxima de formação de glicose e xilose de 12,62 e 4,87 g L−1 h−1, respectivamente, e um hidrolisado enzimático contendo 103,01 e 45 g L− 1 de glicose e xilose, para SB, respectivamente. Quanto ao SS, a hidrólise enzimática com a mesma consistência resultou em uma taxa máxima de formação de glicose e xilose de 10,91 e 3,71 g L−1 h−1, respectivamente, e um hidrolisado enzimático contendo 108,21 e 41,79 g L−1 de glicose e xilose. A fermentação dos hidrolisados SB e SS não apresenta diferença significativa na concentração de etanol e nos parâmetros fermentativos. A análise estrutural confirma os resultados da composição química das amostras das etapas de produção de etanol de segunda geração (2G). Portanto, a produção de etanol dentro de uma biorrefinaria, utilizando subprodutos de cana-de-açúcar com pré-tratamento com sulfito-NaOH, resulta na produção de glicose, xilose e lignina, que podem ter diversas aplicações biotecnológicas e químicas.

Resumo (inglês)

This paper has two abstracts, presented in the format of two scientific articles already written in English. First abstract: Thermotreatment is a promising pretreatment because it is simple, low cost and environmentally friendly and facilitates the access of cellulases in the enzymatic hydrolysis step. Although there are several studies on enzymatic hydrolysis on SB and few SS, the comparative study between enzymatic hydrolysis these residues thermotrated have not yet published. The samples were chemically characterized followed by enzymatic hydrolysis of SB and SS thermotrated and kinetic parameter study. Sugarcane bagasse (SB) was thermotreated at 161.9°C for 75.3 min and sugarcane straw (SS) at 177.2°C for 64.8 min, resulting in cellulose levels of 40.4 and 50.7%, respectively. Enzymatic hydrolysis of the thermotreated by-products resulted in higher cellulose conversions to glucose and concentrations than untreated by-products. Hydrolysis with an increase in mass load of 1, 5, 10, 20% were performed and SB and SS reached maximum conversions at consistency of 20% (63.6 and 73.1%) and maximum glucose concentration of 63.8 and 89.2 gL-1, respectively. In assays with increased enzyme load of 15, 20 and 30 FPU.g-1 the maximum cellulose conversions to glucose of SB and SS were 93.6 and 94.5%, resulting in glucose concentrations of 105.1 and 124.8 gL-1, respectively. The analysis of the maximum rates of glucose formation estimated for the assays performed under different consistencies showed that there were significant differences between the tests, except between the assays performed at 1% and 5%, while the maximum rates of glucose formation estimated in the tests with ranged of enzymatic load showed that there were significant differences between the assays performed at 10, 15 and 20 FPU, but the tests at 20 and 30 FPU showed no significant differences. Thus, the tests carried out in the bioreactor showed that there was rapid liquefaction of the biomass, both SB and SS, when compared to the Erlenmeyer flask. The maximum conversion and glucose concentration achieved were higher in the test carried out with SB and SS in the bioreactor and Erlenmeyer flask. There was little significant difference in glucose concentrations during most of the enzymatic hydrolysis time. Second abstract: The deconstruction of lignocellulosic biomass by chemical or combined pre-treatments, such as sulfite-NaOH using high temperatures, is not uniform, generating some liquid fractions with high added value (sulfonated lignin) and solid fractions (cellulosic pulp). Although there are several separate studies on enzymatic hydrolysis in SB and SS, the comparative study between the sulfate-NaOH pretreatment of the by-products, followed by the enzymatic hydrolysis of these residues, and ending with the fermentation of this hydrolyzate has not yet been published. The samples were characterized chemically and structurally, followed by enzymatic hydrolysis of sugarcane by-products pretreatment, kinetic parameter study and fermentation these hydrolyzed. The sulfite-NaOH pretreatment significantly reduced the lignin content of the by-products and exhibited the highest efficiency in the enzymatic hydrolysis of cellulose and xylan, reaching conversions of 88.49 and 63.40%, 92.24 and 65.99 %, for SB and SS, respectively. Enzymatic hydrolysis at 20% consistency resulted in a maximum glucose and xylose formation rate of 12.62 and 4.87 g L−1 h−1, respectively, and an enzymatic hydrolyzate containing 103.01 and 45 g L− 1 of glucose and xylose, for SB, respectively. As for SS, enzymatic hydrolysis with the same consistency resulted in a maximum rate of glucose and xylose formation of 10.91 and 3.71 g L−1 h−1, respectively, and an enzymatic hydrolyzate containing 108.21 and 41.79 g L−1 of glucose and xylose. The fermentation of SB and SS hydrolysates does not present a significant difference in ethanol concentration and fermentative parameters. The structural analysis confirms the results of the chemical composition of the samples from the second generation (2G) ethanol production stages. Therefore, the production of ethanol within a biorefinery, using sugarcane byproducts with sulfite-NaOH pretreatment, results in the production of glucose, xylose and lignin, which can have diverse biotechnological and chemical applications.