Pré-tratamento a vapor e sacarificação enzimática da palha de cana-de-açúcar para a produção de hidrolisados susceptíveis à fermentação alcoólica

Abstract

Resumo: O uso contínuo da energia fóssil vem sendo relatado como um problema para o futuro por envolver fontes finitas de energia cuja exploração desenfreada é prejudicial para o planeta. No intuito de contornar estes problemas, fontes renováveis de energia vêm sendo investigadas para substituir combustíveis fósseis como a gasolina e o óleo diesel. A biomassa vegetal, de composição lignocelulósica, representa uma fonte inesgotável de polissacarídeos como a celulose e as hemiceluloses que podem ser convertidos por hidrólise ácida ou enzimática e posterior fermentação a etanol de segunda geração, na tentativa de ampliar a importância do etanol como biocombustível alternativo. O Brasil é um dos maiores produtores mundial de cana-de-açúcar e devido a isto, a geração de resíduos do processamento da cana, denominados palha e bagaço, tem atraído a atenção dos pesquisadores por oferecer uma boa opção para a produção deste biocombustível. Para que isto seja possível, é necessário primeiramente realizar um pré-tratamento a fim de aumentar a acessibilidade química da celulose, uma vez que esta se encontra embebida em uma matriz composta por hemiceluloses e lignina. A composição química da palha de canade- açúcar revelou teores interessantes de celulose para produção de etanol. Além disso, o baixo teor de lignina indica que a palha pode apresentar boa susceptibilidade ao pré-tratamento. No entanto, a caracterização de seus componentes macromoleculares revelou, de forma qualitativa, que a lignina possui mais unidades guaiacila em sua estrutura, indicando uma estrutura mais condensada e com maior associação com os carboidratos, o que poderia dificultar a etapa de pré-tratamento. O pré-tratamento foi realizado utilizando dois planejamentos fatoriais 23 com e sem catálise ácida. O objetivo dos planejamentos foi o de avaliar os efeitos da temperatura (180 e 210 °C), do tempo de permanência no reator (5 e 10 min), da umidade da biomassa (8,4 e 29,5 %) e da concentração de ácido fosfórico (9,5 e 19 mg ácido/g palha seca) sobre a estrutura e reatividade do material lignocelulósico. Este estudo revelou que o aumento da umidade da palha não exerceu influência sobre a solubilização das hemiceluloses e, consequentemente, sobre o aumento da acessibilidade da celulose à hidrólise enzimática, ao passo que o aumento da concentração de ácido foi de suma importância para a hidrólise das hemiceluloses, assim como a temperatura e o tempo de pré-tratamento. A partir dos resultados de recuperação de glucose no pré-tratamento e dos dados da conversão de celulose em glucose via hidrólise enzimática, foi possível selecionar condições que pudessem maximizar os rendimentos do processo, sendo elas 9,5 mg de H3PO4 por grama de palha seca e 180 °C por 10 min, que apresentou uma recuperação de glucose, xilose e arabinose de 90,0, 80,8 e 76,6 %, respectivamente, e uma sacarificação da celulose de 64,5 % empregando a enzima Cellic CTec 2 (Novozymes) a 2,5 mg enzima por g de bagaço seco em ensaios de hidrólise realizados a 8 % em relação ao peso seco do substrato. A caracterização do substrato obtido nestas condições revelou que o pré-tratamento forneceu uma celulose com maior índice de cristalinidade, provavelmente devido à reorganização supramolecular de cadeias de menor grau de polimerização, sendo este aproximadamente a metade daquele caracterizado no material in natura. Por outro lado, a lignina apresentou menor massa molar média, paralelamente a uma estrutura de maior grau de condensação. Palavras-chave: Etanol. Palha de cana. Caracterização química. Explosão a vapor. Hidrólise enzimática.

Abstract: The continuous use of fossil energy has been related as a problem for the future once it involves finite energy sources whose unbridled exploitation is harmful to the planet. In order to overcome these problems, renewable energy sources are being investigated to replace fossil fuels such as petrol and diesel oil. The vegetable biomass, lignocellulosic composition, represents an inexhaustible source of polysaccharides such as cellulose and hemicellulose that can be converted by acid or enzymatic hydrolysis and subsequent fermentation to second generation ethanol, in an attempt to magnify the importance of ethanol as an alternative biofuel. Brazil is one of the world's largest producers of sugarcane and because of this, the generation of waste from cane processing, named bagasse and straw, has attracted the attention of researchers by offering a good choice for the production of this biofuel. To make this possible, first a pretreatment performance is necessary in order to increase accessibility of cellulose, since it's embedded in a matrix of hemicellulose and lignin. The chemical composition of sugarcane straw revealed interesting contents of cellulose to ethanol production. Furthermore, the low lignin content indicates that the straw may have good susceptibility toward pretreatment. However, the characterization of the macromolecular components revealed, in a qualitative way, that straw lignin structure has more guaiacyl units, indicating a more condensed lignin and more associated with carbohydrates, which could hamper the pretreatment step. The pretreatment was performed by two factorial designs 23 with and without acid catalysis. The objective was evaluate the effects of temperature (180 e 210 °C), residence time in the reactor (5 and 10 min), biomass moisture (8.4 and 29.5 wt %) and concentration of phosphoric acid (9.5 and 19 mg acid / g dry straw) on the structure and reactivity of lignocellulosic material. This study showed that the increasing of the straw moisture did not influence the solubilization of hemicellulose and, consequently, on increasing of cellulose accessibility to enzymatic hydrolysis, whereas the concentration of acid was of great importance for the hydrolysis of hemicellulose as well as temperature and time of pretreatment. Based on the results of glucose recovery in the pretreatment and data conversion of cellulose in glucose via enzymatic hydrolysis, it was possible to select conditions that would maximize the process yields, which were 9.5 mg of H3PO4 per gram of dry straw and 180 °C for 10 min, with a recovery of glucose, xylose and arabinose of 90.0, 80.8 and 76.6 %, respectively, and a cellulose saccharification of 62,5 % using the Cellic CTec 2 (Novozymes) enzyme to a load of 2,5 mg enzyme per gram of dry bagasse in hydrolysis assays performed at 8 % in relation of the dry weight of the substrate. The characterization of the substrate obtained under these conditions showed that the pretreatment provided a cellulose with higher crystallinity, probably due to the reorganization of supramolecular chains with lower degree of polymerization, being approximately half of that featured in the raw material. Moreover, the lignin had lower average molar weight in addition to a structure with higher degree of condensation. Keywords: Ethanol. Sugarcane straw. Chemical characterization. Steam explosion. Enzymatic hydrolysis.