Produção de ácido lático de segunda geração a partir da explosão a vapor de bagaço de cana-de-açúcar

Abstract

Resumo: O ácido lático é um composto químico de grande aplicação na indústria, podendo ser utilizado como monômero para a produção de um polímero biodegradável, o poli-(ácido lático), que é uma excelente alternativa aos plásticos derivados petroquímicos. O bagaço da cana-de-açúcar é uma das principais fontes naturais de celulose e hemiceluloses, das quais é possível obter glucose e xilose, para depois serem convertidas por processos fermentativos em produtos como o ácido Llático. No entanto, devido à estrutura recalcitrante da biomassa, é necessário submetê-la a um pré-tratamento para permitir que enzimas acessem e convertam os polissacarídeos estruturais do bagaço de cana em glucose e xilose. Após prétratamento e hidrólise enzimática, bactérias como Bacillus coagulans podem assimilar esses monômeros e convertê-los a ácido L-lático com alta eficiência. Este trabalho teve como objetivo a produção de ácido lático a partir da explosão a vapor do bagaço de cana a 195 ºC em dois tempos de reação, 7,5 e 15 min. A fração sólida (BEV-FS) gerada no pré-tratamento foi dividida em duas, tendo sido uma parte lavada com água (BEV-FSL) e a outra somente centrifugada (BEV-FSC) antes do processo de hidrólise enzimática por 96 h empregando as enzimas Cellic CTec3 e Cellic HTec3 da Novozymes. A produção de ácido lático foi realizada com a bactéria B. coagulans DSM2314 em configurações de SHF (hidrólise e fermentação em separado) e SHCF (hidrólise e fermentação em separado). A cofermentação direta de glucose e xilose na fração líquida bruta (BEV-FLB) da explosão a vapor também foi realizada, mas a presença de inibidores teve que ser contornada por destoxificação usando adsorção física em carvão ativado (BEV-FLD). Os resultados foram obtidos por cromatografia líquida de alta eficiência usando coluna Rezex RHM a 65 °C, eluída com fase móvel H2SO4 5 mmol·L-1. Os testes de fermentação foram realizados em biorreator Multifors 2 (Infors HT). O ensaio de destoxificação promoveu a remoção de mais de 50% de ácido acético e 95% de furfural e HMF da fração BEV-FLB. Maiores rendimentos de glucose foram obtidos por hidrólise enzimática a partir da fração BEV-FSL, que foram de 71 e 93 g·L-1 para os tempos de reação de 7,5 e 15 min, enquanto as frações BEVFSC produziram 59,8 e 89,9 g·L-1 de glucose, respectivamente. A fermentação das frações BEV-FSL destoxificadas resultaram na produção de 15 e 5,9 g·L-1 de ácido lático para 7,5 e 15 min, respectivamente. Para as frações BEV-FSL tratadas por 7,5 min, foi possível obter 64,2 g·L-1 por SHF e 64,1 g·L-1 por SHCF. Já para a BEV-FSL tratada por 15 min, 56,9 g·L-1 de ácido lático foram obtidos no processo SHF e 76,7 g·L-1 no processo SHCF. Assim, ambas as frações geradas no pré-tratamento puderam ser utilizadas para a produção de ácido lático, revelando seu potencial para aplicações em biorrefinarias e evidenciado a possibilidade de eliminação da etapa de lavagem do substrato pré-tratado, diminuindo o custo operacional do processo.

Abstract: Lactic acid is a chemical compound with a wide application in the industry and that can also be used as monomer for the production of a biodegradable polymer, poly (lactic acid), which is the basis for the production of biodegradable plastics as alternatives to petrochemical derivatives. Sugarcane bagasse is one of the main sources of cellulose and hemicellulose, from which glucose and xylose can be converted by fermentation processes into products such as L-lactic acid. However, due to the recalcitrant structure of the biomass, it is necessary to submit it to a pretreatment to allow enzymes to access and convert the polysaccharides from sugarcane bagasse into glucose and xylose. After pretreatment and enzymatic hydrolysis, bacteria such as Bacillus coagulans can assimilate these monomers and convert them into L-lactic acid with high efficiency. This work aimed to produce L-lactic acid from the pre-treatment of sugarcane bagasse by steam explosion under two conditions at 195 ºC, 7.5 and 15 min. The solid pre-treated fraction (BEV-FS) generated was divided into two, one of them was water-washed (BEV-FSL) and the other only centrifuged (BEVFSC), after that both were submitted to enzymatic hydrolysis process for 96 h (Cellic CTec3 e Cellic HTec3 from Novozymes). The co-fermentation of liquid fraction (BEVFLB) obtained from the explosion was carried out and the presence of fermentation inhibitors was circumvented by detoxifying the fraction by physical adsorption on activated charcoal (BEV-FLD). The fermentation step was carried out with the bacteria B. coagulans DSM2314, in a separate enzymatic hydrolysis process (SHF) and in the co-fermentation of pentose and hexose fractions (SHCF). The data were obtained using High Performance Liquid Chromatography with a Rezex RHM column at 65 °C, eluted with mobile phase H2SO4 5 mmol·L-1. Fermentation tests were carried out using the Multifors 2 bioreactor (Infors HT). The detoxification assay promoted the removal of more than 50% acetic acid, 95% furfural and HMF from the BEV-FL fraction. Larger yields of glucose were generated in the enzymatic hydrolysis process from the BEVFSL fraction 71 and 93 g·L-1 for both treatments, 7.5 and 15 min, respectively. For the BEV-FSC fractions, 59.8 and 89.9 g·L-1, respectively. Fermentation of detoxified BEVFL fractions resulted in 15 and 5.9 g·L-1 of lactic acid for 7.5 and 15 min, respectively. For the BEV-FSL treated for 7.5 min, it was possible to obtain 64.2 g·L-1 in the SHF process and 64.1 g·L-1 from the SHCF. As for BEV-FSL treated for 15 min, 56.9 g·L-1 of lactic acid was obtained from the SHF process, 76.7 g·L-1 in the SHCF process. Therefore, both fractions generated in the pre-treatment could be used for the production of lactic acid, revealing its potential for applications in biorefineries and highlighting the possibility of eliminating the washing step of the pre-treated substrate, reducing the operational cost of the process.