Estudo da hidrólise enzimática em alta consistência de materiais lignocelulósicos

Abstract

Resumo: A produção de etanol celulósico a partir da hidrólise enzimática da biomassa é uma alternativa importante para a crescente demanda por biocombustíveis. No entanto, para que esta alternativa se torne uma realidade, algumas barreiras devem ser superadas como o alto custo das enzimas, limitações na transferência de massa em reatores de alta consistência, inibição pelo produto da reação e adsorção inespecífica e/ou irreversível sobre o substrato, especialmente quando se faz uso de substratos lignificados e em elevadas concentrações de sólidos totais. O principal objetivo deste trabalho foi o de produzir elevadas concentrações de açúcares fermentescíveis através de experimentos de hidrólise enzimática em alta consistência. Os ensaios foram conduzidos por 96 h a 50 ºC usando o complexo enzimático Cellic CTec2 (Novozymes) e, como substratos, uma polpa kraft deslignificada de eucalipto e bagaço de cana pré-tratado por explosão a vapor na presença de ácido fosfórico, sendo que as conversão das reações de hidrólise foram monitoradas por cromatografia a líquido de alta eficiência. Os experimentos foram organizados na forma de um delineamento experimental do tipo compósito central de face centrada, usando as seguintes variáveis em níveis máximo e mínimo: concentração de complexo enzimático (0,1 e 0,025 g.g-1 de celulose), consistência de substrato (5 e 20 %) e intensidade de agitação (150 e 200 rpm). A maior conversão para o bagaço de cana pré-tratado a vapor, após 72 h de hidrólise, foi 92,5 % (25,7 g.L-1), empregando 5 % de sólidos totais, 0,1 g de complexo enzimático.g-1 de celulose e 200 rpm. O experimento correspondente para a polpa kraft também foi um dos de maior conversão (com 100 % de conversão mássica), juntamente com o que se diferencia deste apenas na concentração de complexo enzimático que, neste caso, foi de 0,025 g.g-1 de celulose. No entanto, a maior quantidade de açúcares passíveis de fermentação foi produzida em experimentos conduzidos a 20 % de sólidos totais, dos quais se produziu 76,8 g.L-1 de equivalentes de glucose a partir do bagaço pré-tratado a vapor (conversão mássica de 69,2 %) e 125,1 g.L-1 a partir da polpa kraft deslignificada (conversão mássica de 74,2 %). Portanto, o preparado enzimático Cellic CTec2 foi capaz de produzir altas taxas de conversão da celulose presente no substrato pré-tratado, mesmo quando a reação foi realizada em elevada concentração de sólidos totais e quantidades de complexo enzimático relativamente baixas. Este desempenho foi também muito superior ao obtido com a mesma quantidade de uma mistura 10:3 entre Celluclast 1.5L FG e Novozym 188, nas mesmas condições, indicando vantagens quanto o uso do preparado comercial de Cellic CTec2 com relação a minimizar problemas relacionados à adsorção não produtiva sobre o substrato e à inibição retroativa. Além disso, os resultados do planejamento fatorial foram estatisticamente validados para ambos os substratos, tendo sido observada uma boa correlação entre o modelo matemático desenvolvido e os resultados obtidos experimentalmente.

Abstract: Enzymatic hydrolysis of biomass is an important alternative to the growing demand for liquid fuels. However, some challenges must be overcome such as enzyme cost, mass transfer limitations, end-product inhibition and unproductive/irreversible adsorption, especially when using lignified substrates in high solid concentrations. The main objective of this work was to produce high concentrations of fermentable sugars using enzymatic hydrolysis at high total solids. Experiments were carried out for 96 h at 50 ºC using Cellic CTec2 (Novozymes) and two cellulosic substrates, a delignified eucalyptus kraft pulp and phosphoric acid-impregnated steam-treated cane bagasse, with the reaction conversions always being monitored by high performance liquid chromatography (HPLC). All experiments were organized in a central composite face-centered design (CCFD) using the following variables within two levels (maximum and minimum): enzyme concentration (0.1 and 0.025 g.g-1 cellulose), substrate consistency (5 and 20 wt%) and agitation intensity (150 and 200 rpm). The highest conversion of pretreated sugar cane bagasse at 72 h was 92.5 % (25.7 g.L-1), obtained with 0.1 g of enzyme.g-1 of cellulose, 5 wt% total solids and 200 rpm. The corresponding experiment with the eucalyptus kraft pulp was also the one with the highest conversion (100 % at 72 h). The other experiment with this substrate that reached 100 % conversion was the one mentioned in which the enzyme loading was lower (0,025 g.g-1 of cellulose). However, the highest amount of fermentable sugars was derived from experiments carried out at 20 wt% total solids, producing 76.8 g.L-1 of glucose equivalent from steam-treated bagasse (corresponding to a cellulose conversion of 69.2 wt%) and 125,1 g.L-1 from the eucalyptus kraft pulp (corresponding to a cellulose conversion of 74.2 wt%). Therefore, the Cellic CTec2 enzymes were able to produce high saccharification levels of lignified cellulosic substrates even under high total solids and relatively low enzyme loadings, showing a performance by far superior to that obtained with the same loading of a Celluclast 1.5L enriched with Novozym 188 at a 10:3 ratio. This superiority may be due to a lower susceptibility to problems related with end-product inhibition as well as to the non-productive adsorption of enzyme components on lignin-carbohydrate complexes. Also, the results of the factorial design were statistically valid for both substrates and an excellent correlation was observed between the mathematical model and the experimental data.