Otimização da explosão a vapor de Eucalyptus urograndis para produção de etanol celulósico

Abstract

Resumo: A utilização de biomassa lignocelulósica é cada vez mais importante para mitigar o consumo de combustíveis fósseis e aumentar o uso energético de fontes renováveis. Nesse sentido, a produção de etanol celulósico tem sido posta em grande evidência. Esse processo de conversão se dá a partir da realização de cinco etapas sequenciais: (1) coleta e preparo da matéria-prima; (2) pré-tratamento; (3) hidrólise enzimática; (4) fermentação alcoólica; e (5) recuperação do etanol por destilação. Nesse estudo, cavacos de Eucalyptus urograndis foram explodidos a vapor para avaliar o efeito do pré-tratamento sobre sua composição química e hidrólise enzimática, com vistas à produção de etanol celulósico. Os experimentos foram organizados em um planejamento fatorial cujas condições de temperatura e tempo variaram de 174 a 216 °C e de 4 a 11 min com três repetições no ponto central (195 °C, 7,5 min). Os rendimentos das frações insolúveis em água desses pré-tratamentos, assim como a conversão por hidrólise enzimática (33 mg g-1 Cellic CTec2 ou CTec3, Novozymes) e o rendimento final de glucose para ambas as enzimas testadas apresentaram correlação linear com a severidade do processo. Além disso, o grau de polimerização da celulose também apresentou relação direta com o fator de severidade. Apesar da condição mais drástica de pré-tratamento resultar no substrato com maior susceptibilidade à hidrólise, a melhor condição dentre as estudadas foi estabelecida em 210 °C, 5 min devido ao seu maior rendimento final em glucose após as etapas de pré-tratamento e hidrólise. Já a análise dos produtos da metanólise ácida das frações resultantes do pré-tratamento indicaram que houve hidrólise e solubilização das pectinas do material para a fração solúvel e, no caso da fração insolúvel, as galactoglucomananas foram mais resistentes ao pré-tratamento do que as arabinoglucuronoxilanas, sendo que parte das ramnogalacturonanas (pectinas) ainda resistiu a essas condições. Além disso, o melhor material explodido a vapor foi deslignificado com 0,1 e 0,5 g de NaOH g-1 de substrato seco por 30 min a 80 °C, em procedimentos assistidos ou não por ultrassom. O emprego da menor concentração de NaOH apresentou baixos valores de deslignificação e não houve diferença estatisticamente significativa ao se empregar o ultrassom. Nas extrações com 0,5 g de NaOH g-1 de substrato, níveis de deslignificação acima de 94 % foram obtidos a partir do material explodido a vapor. Finalmente, ensaios de hidrólise enzimática foram realizados empregando 20% de sólidos totais e o perfil obtido para substratos derivados de eucalipto foram comparados ao desempenho na hidrólise de bagaço de cana explodido a vapor. Essas reações atingiram 124 e 102 g L-1 de glucose em 72 h, respectivamente, e os hidrolisados foram facilmente convertidos em etanol com 1 g L-1 de levedura Thermossac Dry (Lallemand), atingindo valores acima de 25 g L-1 de etanol e produtividades superiores a 2,1 g L-1 h-1 em 12 h de fermentação. Ao realizar uma projeção dos resultados de pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação, concluiu-se que os cavacos de eucalipto apresentaram maior potencial para produção de etanol celulósico do que o bagaço de cana. Palavras-chave: Eucalyptus urograndis; explosão a vapor; etanol celulósico.

Abstract: The use of lignocellulosic biomass is increasingly important in order to mitigate the consumption of fossil fuels and increase the energy use of renewable sources. In this sense, the production of cellulosic ethanol has been put in great evidence. This process conversion takes place through the accomplishment of five sequential stages: (1) collection and preparation of the raw material; (2) pretreatment; (3) enzymatic hydrolysis; (4) alcoholic fermentation; and (5) recovering ethanol by distillation. In this study, Eucalyptus urograndis wood chips were steam-exploded to assess the effect of pretreatment on their chemical composition and enzymatic hydrolysis, aiming to the production of cellulosic ethanol. The experiments were organized in a factorial design whose conditions ranged from 174 to 216 °C and from 4 to 11 min with three replicates at the center point (195 °C, 7.5 min). The yields of the water-insoluble fractions of these pre-treatments, as well as the conversion by enzymatic hydrolysis (33 mg g-1 Cellic CTec2 or CTec3, Novozymes) and the final glucose yield for both enzymes tested, showed a linear correlation with the severity of process. In addition, the degree of polymerization of cellulose was also directly related to the severity factor. Although most severe pretreatment condition resulted in the substrate with the highest susceptibility to hydrolysis, the best condition was set at 210 °C, 5 min due to its higher final yield in glucose after the pretreatment and hydrolysis steps. The analysis of acidic methanolysis products of the fractions resulting from pretreatment indicated that there was hydrolysis and solubilization of the pectins of the material to the soluble fraction and, in the case of the insoluble fraction, the galactoglucomananas were more resistant to pretreatment than the arabinoglucuronoxylans, and some of the ramnogalacturonans (pectins) still withstood these conditions. In addition, the best steam exploded material was delignified with 0.1 and 0.5 g NaOH g-1 per dried substrate during 30 min at 80 °C in procedures assisted or not by ultrasound. The use of the lowest concentration of NaOH had low delignification values and there was no statistically significant difference when using the ultrasound. In the extractions with 0.5 g NaOH g-1 substrate, delignification levels above 94% were obtained from the steam exploded material. Finally, enzymatic hydrolysis assays were carried using 20% of total solids and the profile obtained for eucalyptus-derived substrates were compared to the hydrolysis performance of steam exploded sugarcane bagasse. These reactions reached 124 and 102 g L-1 glucose in 72 h, respectively, and the hydrolysates were easily converted to ethanol with 1 g L-1 of yeast Thermossac Dry (Lallemand), reaching values above 25 g L-1 ethanol and yields greater than 2.1 g L-1 h-1 in 12 h of fermentation. When a projection of the results of pre-treatment, enzymatic hydrolysis and fermentation was carried out, it was concluded that the eucalyptus wood chips had a higher potential for the production of cellulosic ethanol than the sugarcane bagasse. Key-words: Eucalyptus urograndis; steam explosion; cellulosic ethanol.