Aplicação de líquido iônico e etanol em CO2 supercrítico para o pré-tratamento e hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos

Abstract

Resumo: Materiais lignocelulósicos são recursos renováveis considerados promissores para a produção de combustíveis e insumos químicos em processos denominados biorrefinarias. Atualmente, as biorrefinarias baseadas em rotas bioquímicas são voltadas à produção de etanol celulósico. No entanto, a alta coesão entre os principais componentes da parede celular - celulose, hemiceluloses e lignina - dificulta a acessibilidade química dos polissacarídeos à hidrólise enzimática. Desta maneira, diversos tipos de pré-tratamento têm sido desenvolvidos para se superar as barreiras físico-químicas da lignocelulose e obter maiores rendimentos em monossacarídeos. Dentre estes, a utilização de líquidos iônicos (LI) como solventes de lignocelulose ganhou destaque no meio científico devido à capacidade destes em dissolverem ou desconstruírem seletivamente estes materiais. Porém, o uso de baixa consistência de lignocelulose em relação aos LI torna este processo oneroso devido ao custo desses reagentes. Por este motivo, uma nova tecnologia foi desenvolvida onde o LI acetato de 1-butil-3-metilimidazol ([Bmim][OAc]) e etanol foram utilizados como cossolventes na presença de CO2 supercrítico, em processo denominado scCO2/EtOH-LI, com o intuito de diminuir o uso de LI a 1 g g-1 de biomassa. Esta nova tecnologia está baseada na deslignificação parcial da biomassa pela remoção de complexos lignina-carboidrato (CLC) e no aumento da acessibilidade dos substratos produzidos à hidrólise enzimática. No presente trabalho, a aplicabilidade deste método foi investigada para quatro tipos de biomassas, a palha da cana-de-açúcar, o capim-elefante e as serragens de Pinus taeda e Eucalyptus urograndis, utilizando materiais pré-extraídos com etanol 95 % e condições que foram pré-otimizadas para o bagaço de cana em estudos anteriores (250 bar a 110 e 180 ºC). Em linhas gerais, observou-se que o uso da maior temperatura promoveu uma maior deslignificação dos materiais, que foi de 42,3 % para a palha, 45,9 % para capim-elefante, 26,6 % para pinus e 32,8 % para eucalipto, e permitiu a recuperação mássica da maior parte dos carboidratos presentes nos materiais de origem. A remoção de CLCs permitiu grandes ganhos de acessibilidade que resultaram em maiores conversões em monossacarídeos utilizando-se uma pequena quantidade da enzima Cellic CTec3 (10 mg de enzima líquida por grama de substrato; 2,26 ARSTot g-1), cujos rendimentos de hidrólise em relação ao material de origem aumentaram 3,4 vezes para a palha, 2,1 vezes para o capim-elefante, 2,2 vezes para pinus e 5,9 vezes para o eucalipto. A hidrólise também foi realizada na presença de atividade hemicelulásica da Cellic HTec3 (10 % em relação à Cellic CTec3) e esta não só permitiu a recuperação dos carboidratos das hemiceluloses em alto rendimento como também aumentou as conversões de glucanas em 18,4 % para a palha, 21,8 % para o capim-elefante, 17,8 % para o pinus e 22,4 % para o eucalipto. O grau de deslignificação dos substratos e seus rendimentos de hidrólise, nas condições utilizadas neste estudo, apresentaram correlação direta com mudanças no seu índice de cristalinidade (CrI), mas o aumento da acessibilidade foi preferencialmente atribuído ao efeito da deslignificação. Por fim, os extratos etanólicos oriundos do preparo das amostras para o pré-tratamento foram analisados por GCxGC/TOF-MS e seus componentes majoritários caracterizados. Palavras-chave: lignocelulose, pré-tratamento, CO2 supercrítico, líquidos iônicos, deslignificação, hidrólise enzimática.

Abstract: Lignocellulosic materials are considered promising renewable resources for the production of fuels and chemicals in processes generically called biorefineries. Currently, most biorefineries are based on biochemical pathways aiming to produce cellulosic ethanol and other coproducts. However, the high cohesion between the main components of the cell wall - cellulose, hemicelluloses and lignin - hinders the chemical accessibility of polysaccharides to enzymatic hydrolysis. Thus, different types of pretreatment have been developed to overcome these physicochemical barriers and to obtain higher yields monosaccharides from the lignocellulosic matrix. Among these, the use of ionic liquids (IL) as biomass solvent stood out in the scientific community due to their ability to selectively dissolve or deconstruct these recalcitrant materials. However, the use of low total solids in relation to the amount of LI makes this process very expensive due to the cost of the required reagents. For this reason, a new technology was developed in which the IL 1-butyl-3- methylimidazolium acetate ([Bmim][OAc]) and ethanol were used together as cosolvents in the presence of supercritical CO2 in an attempt to reduce the required amount of IL to 1 g g-1 or less. This new technology, which was recently named scCO2/EtOH-IL, is based on the partial delignification of biomass through the removal of lignin-carbohydrate complexes (LCC) with the aim to increase of accessibility of these substrates to enzymatic hydrolysis. In the present work, the applicability of this method was investigated for four types of biomass, sugarcane straw, elephant grass and Pinus taeda and Eucalyptus urograndis sawdusts, by employing materials that were pre-extracted with ethanol 95 % and conditions that have been pre-optimized for sugarcane bagasse in previous studies (250 bar at 110 and 180 °C). In general, higher pretreatment temperatures promoted higher biomass delignification, which were 42.3 % for cane straw, 45.9 % for elephant grass, 26.6 % for pine sawdust and 32.8 % eucalypt sawdust, resulting in the mass recovery of most of the carbohydrates present in the original materials. Removal of LCCs allowed large gains in accessibility that resulted in higher conversion plant polysaccharides into soluble sugars by using a small amount of the enzyme Cellic CTec3 (10 mg of liquid enzyme per gram of substrate; 2.26 ARSTot g-1), whose hydrolysis yields increased 3.4-fold for cane straw, 2.1-fold for elephant grass, 2.2-flod for pine and 5.9-fold for eucalyptus compared to the original materials. Hydrolysis was also performed in the presence of the hemicelulase activity of Cellic HTec3 (10 % in relation of Cellic CTec3) and this not only allowed the recovery of hemicellulose carbohydrates at high yield but also increased conversions of glucan in 18.4 % for cane straw, 21.8 % for elephant grass, 17.8 % for pinus and 22.4 for eucalyptus. The degree of delignification of the substrates and their hydrolysis yields under the conditions used in this study showed a direct correlation with changes in their crystallinity index (CrI), but the increased accessibility of pretreated substrates was preferably attributed to the effect of the delignification. Finally, the ethanolic extracts that were obtained during sample preparation for pretreatment were analyzed by GCxGC/TOF-MS and their major components were characterized. Keywords: lignocellulose, pretreatment, supercritical CO2, ionic liquids, delignification, enzymatic hydrolysis.