Remoção de lignina e hemicelulose: influência na acessibilidade à celulose e sacarificação enzimática
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Data
2018-02-26
Autores
Shimizu, Felipe Lange [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
A biomassa lignocelulósica, como a proveniente da cana-de-açúcar, é uma fonte abundante de resíduo que pode ser usado como matéria-prima na produção de energia. Para melhor aproveitar essa biomassa, moagem e pré-tratamentos podem ser usados para alterar a estrutura do material lignocelulósico, remover lignina e hemicelulose, expondo a celulose e assim aumentando sua acessibilidade. A acessibilidade à celulose tem sido indicada como uma das propriedades mais importantes para uma boa digestibilidade enzimática. Entretanto, as biomassas geradas da cana-de-açúcar possuem características físico-químicas diferentes, respondendo de modo diferente aos pré-tratamentos. Neste contexto, este estudo teve como objetivo verificar os efeitos da remoção de lignina e hemicelulose das biomassas da cana-de-açúcar (fração externa, entrenó, nó e folha) na acessibilidade à celulose. A cana-de-açúcar foi fracionada em fração externa, nó, entrenó e folha. Cada fração passou pelos pré-tratamentos ácido (5, 10, 20 %, m/m massa de ácido por massa de material, a 121°C/30 min), alcalino (5, 10, 20 e 30 % NaOH m/m) e oxidativo (0,5, 1, 2 e 3 horas com clorito de sódio 30 %). As amostras foram caracterizadas quanto ao seu conteúdo de celulose, hemicelulose e lignina. A determinação de acessibilidade foi realizada com corantes Direct, Orange (superfície específica externa), Direct Blue (superfície específica interna) e Vermelho Congo (superfície total). A hidrólise enzimática (15 FPU/g de material, Cellic Ctec 2 - Novozymes) foi realizada para avaliar o efeito dos pré-tratamentos e acessibilidade à celulose no rendimento em glicose. O efeito dos pré-tratamentos foi primeiramente analisado pela quantidade de massa recuperada. Todas as frações estudadas apresentaram uma tendência em perder massa com aumento da concentração de reagente utilizado no pré-tratamento. O pré-tratamento ácido resultou em menor recuperação de massa, o que ocorreu em função da solubilização de hemicelulose. A caracterização química apontou a remoção de hemicelulose e principalmente lignina dos materiais em função do pré-tratamento e das suas condições. A deslignificação com clorito de sódio (oxidativo) resultou em remoção de lignina, chegando a quase a sua totalidade em materiais como a folha. A determinação de acessibilidade com os corantes Vermelho Congo, Direct Blue e Direct Orange indicaram que o aumento da concentração de reagentes no pré-tratamento provoca aumento de acessibilidade à celulose. Entretanto, os corantes Direct Orange e Blue foram mais precisos na determinação da acessibilidade à celulose em comparação ao Vermelho Congo. A fração de menor recalcitrância, entrenó, apresentou adsorção de 525,9 mg/g no ensaio com Vermelho congo, o Direct Orange 1333,3 mg/g e o Direct Blue 746,3 mg/g. O rendimento em glicose na hidrólise enzimática seguiu a tendência de melhora com aumento da acessibilidade. Do mesmo modo, a remoção de lignina resultou em maior rendimento em glicose na hidrólise enzimática, o entrenó deslignificado resultou na quase completa conversão da celulose em glicose. Este estudo identificou a fração externa como mais recalcitrante, e entrenó como menos recalcitrante, resultando em menor rendimento e maior de glicose na hidrólise enzimática, respectivamente. A remoção de hemicelulose e lignina por meio de pré-tratamentos influenciou diretamente na acessibilidade à celulose, resultando em melhor ação das enzimas na hidrólise enzimática de todas as frações.
The lignocellulosic biomass, such as the provided by the sugarcane, is an abundant source of raw materials for energy production. In order to better use this biomass, milling and pretreatments can be employed to alter the structure of the materials, remove lignin and hemicellulose. This effect exposes the cellulose and raises its accessibility, which is is one of the most important property to ensure enzymatic digestibility. However, the biomass generated from the sugarcane have different physicochemical characteristics, giving different responses to the pretreatments. In this context, this study aimed to verify the effects of lignin and hemicellulose removal from the sugarcane biomass (external fraction, node, internode and leaf) on cellulose accessibility. The sugarcane was fractioned in external fraction, node, internode and leaf. Each fraction was pretreated with acid (5, 10, 20 % m/m acid mass per material mass, at 121°C/30 min), alkaline (5, 10, 20, 30 % NaOH m/m) oxidative (0,5, 1, 2 ,3 h charged with 30 % sodium chlorite). The chemical composition of the samples was determined based on cellulose, hemicellulose and lignin contents. Accessibility was determined by dye adsorption of Direct Orange (external specific surface), Direct Blue (internal specific surface) and Congo Red (total surface). Enzymatic hydrolysis (15 FPU/g of biomass, Cellic Ctec 2 – Novozymes) was used to verify the effects of pretreatments and cellulose accessibility on the glucose yield. All studied fractions showed tendency to lose mass with increasing reagent concentrations used in the pretreatments. Acid pretreatment resulted in low mass recovery due to hemicellulose solubilization. Chemical composition showed hemicellulose removal and significant lignin removal from the materials due to the pretreatments and their conditions. Delignification by sodium chlorite (oxidative) resulted in lignin removal, with almost completely removal with leaf samples. Accessibility determined by Congo Red, Direct Orange and Direct Blue dyes indicated that more aggressive pretreatments improved cellulose accessibility. However, Direct Orange and Direct Blue dyes were more precise than Congo Red while evaluating cellulose accessibility. The less recalcitrant fraction, the internode, showed 525,9 mg/g of Congo Red adsorption, 1333,3 mg/g of Direct Orange and 746,3 mg/g of Direct Blue. Glucose yield during enzymatic hydrolysis improved with higher cellulose accessibility. Lignin removal resulted in higher glucose yield, with delignified internode samples showing almost complete cellulose conversion. This study identified the external fraction as the most recalcitrant and the internode as the least recalcitrant, resulting in lower glucose yield and higher glucose yield, respectively. Hemicellulose and lignin removal by the pretreatments directly influenced cellulose accessibility, resulting in better enzymatic activity across all fractions.
The lignocellulosic biomass, such as the provided by the sugarcane, is an abundant source of raw materials for energy production. In order to better use this biomass, milling and pretreatments can be employed to alter the structure of the materials, remove lignin and hemicellulose. This effect exposes the cellulose and raises its accessibility, which is is one of the most important property to ensure enzymatic digestibility. However, the biomass generated from the sugarcane have different physicochemical characteristics, giving different responses to the pretreatments. In this context, this study aimed to verify the effects of lignin and hemicellulose removal from the sugarcane biomass (external fraction, node, internode and leaf) on cellulose accessibility. The sugarcane was fractioned in external fraction, node, internode and leaf. Each fraction was pretreated with acid (5, 10, 20 % m/m acid mass per material mass, at 121°C/30 min), alkaline (5, 10, 20, 30 % NaOH m/m) oxidative (0,5, 1, 2 ,3 h charged with 30 % sodium chlorite). The chemical composition of the samples was determined based on cellulose, hemicellulose and lignin contents. Accessibility was determined by dye adsorption of Direct Orange (external specific surface), Direct Blue (internal specific surface) and Congo Red (total surface). Enzymatic hydrolysis (15 FPU/g of biomass, Cellic Ctec 2 – Novozymes) was used to verify the effects of pretreatments and cellulose accessibility on the glucose yield. All studied fractions showed tendency to lose mass with increasing reagent concentrations used in the pretreatments. Acid pretreatment resulted in low mass recovery due to hemicellulose solubilization. Chemical composition showed hemicellulose removal and significant lignin removal from the materials due to the pretreatments and their conditions. Delignification by sodium chlorite (oxidative) resulted in lignin removal, with almost completely removal with leaf samples. Accessibility determined by Congo Red, Direct Orange and Direct Blue dyes indicated that more aggressive pretreatments improved cellulose accessibility. However, Direct Orange and Direct Blue dyes were more precise than Congo Red while evaluating cellulose accessibility. The less recalcitrant fraction, the internode, showed 525,9 mg/g of Congo Red adsorption, 1333,3 mg/g of Direct Orange and 746,3 mg/g of Direct Blue. Glucose yield during enzymatic hydrolysis improved with higher cellulose accessibility. Lignin removal resulted in higher glucose yield, with delignified internode samples showing almost complete cellulose conversion. This study identified the external fraction as the most recalcitrant and the internode as the least recalcitrant, resulting in lower glucose yield and higher glucose yield, respectively. Hemicellulose and lignin removal by the pretreatments directly influenced cellulose accessibility, resulting in better enzymatic activity across all fractions.
Descrição
Palavras-chave
Acessibilidade, Pré-tratamento ácido diluído, Pré-tratamento alcalino, Pré-tratamento oxidativo, Hidrólise enzimática, Vermelho congo, Accessibility, Diluted acid pretreatment, Alkaline pretreatment, Oxidative pretreatment, Enzymatic hydrolysis, Congo red