Pré-tratamento e hidrólise enzimática de bagaço de cana e de resíduos do processamento do algodão

Abstract

Resumo: Diferentes métodos de pré-tratamentos ácidos e alcalinos foram investigados para o aproveitamento de bagaço de cana e de resíduos do processamento do algodão, visando maximizar a recuperação de seus componentes macromoleculares e produzir substratos celulósicos de alta acessibilidade à hidrólise emzimática. O primeiro método avaliado foi a explosão a vapor do bagaço de cana, que foi realizada nas configurações de auto-hidrólise e de catálise ácida empregando os ácidos sulfúrico e fosfórico. Nesse estudo buscou-se demonstrar a aplicabilidade do fator de severidade combinada (FSC) e para isso foram realizados experimentos sob severidades equivalentes (FSC ? 0,76). Diversas análises foram empregadas nos materiais pré-tratados e nas frações solúveis em água de modo a avaliar os efeitos dessas diferentes abordagens de pré-tratamentos. De modo geral, os materiais pré-tratados revelaram similaridades na composição química, na viscosidade complexa, no índice de cristalinidade e nos rendimentos de hidrólise enzimática, exceto para os materiais produzidos por catálise sulfúrica nas menores temperaturas e tempos de reação. As frações solúveis em água derivadas das diversas condições de pré-tratamento revelaram altas concentrações de pentoses como a xilose, além da inevitável formação de derivados furânicos, ácidos alifáticos e compostos fenólicos, que foram caracterizados por métodos cromatográficos de análise. Os rendimentos globais de açúcares, englobando os resultados de pré-tratamento e de hidrólise enzimática, alcançaram valores de aproximadamente 90%, indicando resultados equivalentes para auto-hidrólise, catálise fosfórica e catálise sulfúrica. No entanto, a auto-hidrólise foi considerada superior por gerar substratos de reologia mais favorável à hidrólise em altos teores de sólidos totais. O emprego do sistema CO2/H2O no pré-tratamento do bagaço de cana revelou a possibilidade de uma remoção seletiva das hemiceluloses, produzindo materiais com teores de glucanas superiores a 50%. Tais pré-tratamentos foram organizados em um planejamento experimental Doehlert que resultaram em diferentes valores de FSC. Os maiores rendimentos na hidrólise enzimática foram obtidos para a condição intermediária de temperatura e tempo de reação (FSC = 0,48), enquanto que a maior liberação de pentoses na fração solúvel em água ocorreu na condição de menor severidade (FSC = 0,16). A análise estatística dos dados experimentais indicou a condição reacional de 190 °C e 0 min (FSC = -0,10) para produzir o maior rendimentos de açúcares solúveis, onde zero representa o tempo de aquecimento do reator até a temperatura pretendida. Essa reação foi testada experimentalmente e apresentou o resultado esperado de 74% de rendimento global de açúcares na fração solúvel em água e após hidrólise enzimática do material pré-tratado. Para os resíduos do processamento do algodão foi empregado primeiramente um pré-tratamento com hidróxido de sódio, avaliado através de um planejamento fatorial simples. Os materiais pré-tratados resultaram em altos teores de glucanas, maiores que 87% para o pó de filtro e 77% para o piolho sujo. Esses resultados foram atribuídos principalmente à remoção da lignina, alcançando, nos maiores níveis das variáveis estudadas (4% de NaOH em 120 °C), cerca de 75 e 85% para o pó de filtro e piolho sujo, respectivamente. Os maiores rendimentos de hidrólise enzimática foram de somente 50% para os materiais pré-tratados que apresentaram os menores teores de lignina. No entanto, ao realizar um novo planejamento fatorial com variação no teor de sólidos totais e na carga enzimática, foi possível aumentar o rendimento global de açúcares para 76 e 70% na melhor condição de hidrólise (5% de sólidos totais e 25 FPU g-1 de glucanas), respectivamente. O imidazol também foi avaliado como solvente de reação para o fracionamento dos resíduos do algodão. Após a hidrólise enzimática dos materiais pré-tratados, os rendimentos globais de açúcares solúveis foram favoráveis, porém, menores se comparados ao pré-tratamento com hidróxido de sódio. Portanto, um novo planejamento fatorial da hidrólise enzimatica foi realizado e os rendimentos globais de açúcares solúveis foi aumentado de 51,4% para o pó de filtro e de 52,5% para o piolho sujo. Com isso, condições ideais para o pré-tratamento e hidrólise enzimática foram identificadas para diferentes materiais lignocelulósicos de interesse comercial. Palavras-chave: lignocelulose, explosão a vapor, dióxido de carbono supercrítico, hidróxido de sódio, imidazol, hidrólise enzimática.

Abstract: Different acid and alkaline pretreatment methods were investigated for the utilization of sugarcane bagasse and cotton processing residues, aiming at maximizing the recovery of their macromolecular components and producing cellulosic substrates with high accessibility to the enzymatic hydrolysis. Steam explosion was investigated for sugarcane bagasse using three different approaches: auto-hydrolysis and pretreatments in the presence of dilute phosphoric and dilute sulfuric acids. This study was carried out to campare these pretreatment strategies at an equivalent combine severity factor (CSF) of 0.76. Several analytical methods were employed to evaluate the effects of pretreatment on the chemistry of pretreated materials and their corresponding water-soluble fractions. In general, the resulting pretreated materials revealed similarities in chemical composition, complex viscosity, crystallinity index and enzymatic hydrolysis yields, except for situations in which sulfuric acid was used lower temperatures and reaction times. The water-soluble fractions derived from these different pretreatment conditions revealed high concentrations of pentoses such as xylose, plus the inevitable formation of furan derivatives, aliphatic acids and phenolic compounds, which were characterized by advanced chromatographic methods. The overall sugar yields, which were obtained by accounting together the amount of sugars released by acid hydrolysis and by enzymatic hydrolysis of steam-treated substrates, reached values of approximately 90%, indicating equivalent results for auto-hydrolysis, phosphoric and sulfuric acid-catalyzed systems. However, auto-hydrolysis was more advantageous because the rheology of pretreated substrates were more favorable to hydrolysis at high total solids. The pretreatment of sugarcane bagasse by CO2/H2O revealed the selective removal of hemicelluloses, producing materials with glucan contents higher than 50%. Pretreatments were performed using a Doehlert experimental design that resulted in different CSF values. The highest enzymatic hydrolysis yields were obtained for an intermediate condition of temperature and reaction time (CSF = 0.48), while the highest release of pentoses in the water-soluble fraction was achieved for a lower pretreatment severity (CSF = 0.16). The statistical analysis of the experimental data indicated that heating up to 190 °C with no isothermic residence time (0 min, CSF = -0.10) produced the highest yields of water soluble sugars, where zero represents the reactor heating time to reach the desired reaction temperature. This reaction was tested experimentally and showed the expected overall sugar yield of 74%, considering the amount of sugars released in the water soluble fraction and by enzymatic hydrolysis at relatively high total solids. For the cotton gin residues, pretreatment with dilute sodium hydroxide was applied using a 22 factorial design. The pretreated materials showed high glucan contents, achieving more than 87% for the cotton gin dust (CGD) and 77% for the cotton gin waste (CGW). These results were attributed to substrate swelling and lignin removal, which at the highest levels of the studied variables (4% NaOH at 120 °C) reached 75 and 85% for CGD and CGW, respectively. The highest enzymatic hydrolysis yields were only 50% for pretreated materials that were produced with the lowest lignin contents. In an attempt to improve the enzymatic hydrolysis of the best CGD and CGW pretreated substrates, a new set of experiments was organized in a typical 22 factorial design, with variations in the total solids and enzyme loading. Therefore, it was possible to increase the overall sugar yields to 76 and 70% in the best hydrolysis condition (5% total solids and 25 FPU g-1 glucan), respectively. Imidazole was also evaluated as a reaction solvent for the fractionation of cotton gin residues. After enzymatic hydrolysis of the pretreated materials, the overall sugar yields were increased but at a lower rate compared to pretreatment with dilute sodium hydroxide. A 22 factorial design was performed to enhance the enzymatic hydrolysis profile of pretreated materials and this increased the overall sugar yields to 51.4% for CGD and to 52.5% for CGW. With these, the ideal conditions for pretreatment and enzymatic hydrolysis were identified for different lignocellulosic materials of high commercial interest. Keywords: lignocellulose, steam explosion, supercritical carbon dioxide, sodium hydroxide, imidazole, enzymatic hydrolysis.