Integrated sugarcane bagasse biorefinery for the production of xylanases, xylooligosaccharides and second-generation bioethanol appliying [sic] imidazole as new green solvent

Abstract

Resumo: Nos últimos anos o mundo vem buscando alternativas limpas e renováveis para fornecer novos materiais e energia, reduzindo a dependência dos combustíveis fósseis derivados do petróleo. No Brasil, as políticas governamentais criaram o cenário ideal para consolidar as usinas de cana-de-açúcar com produção de biocombustíveis, açúcar e bioeletricidade. No entanto, o crescimento populacional gera a necessidade de aumentar a produtividade, evitando o aumento dos impactos ambientais, o que torna necessária a busca por novas estratégias de produção. Por isso, as biorrefinarias lignocelulósicas integradas são uma alternativa para produzir diferentes biomoléculas de valor agregado gerando processos econômicos competitivos, sustentáveis e ecologicamente corretos. Neste trabalho, uma nova estratégia é desenvolvida para a implantação de biorrefinarias lignocelulósicas integradas, aplicando o uso do imidazol como novo solvente verde no pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar. Essa estratégia busca-se aumentar a produtividade total do bioetanol, evitando-se assim o aumento das áreas de cultivo com a valorização dos resíduos agroindustriais. Além disso, aplicando o conceito de biorrefinaria, busca-se o aproveitamento máximo do bagaço da cana-de-açúcar para a produção de outras biomoléculas de valor agregado, como enzimas e prebióticos. Os resultados mostraram um bom desempenho na produção de xilanases utilizando bagaço de cana (74%) e farelo de soja (26%), no tratados, como substrato, obtendo-se uma produção de 53,1 U.mL-1 de xilanases com produtividade de 0,44 U.mL-1.h-1. Por outro lado, observou-se um ótimo desempenho do imidazol no pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar realizado a 160°C por 1h. O pré-tratamento permitiu a recuperação de uma fração rica em celulose com 75% de deslignificação, o que levou a uma conversão de 100% de glucano em glicose após hidrólise enzimática. A bioconversão de hidrolisados por fermentação com Saccharomyces cerevisiae proporcionou um alto rendimento produtivo (83,7%), o que representa uma produção de 218 L de etanol por tonelada de bagaço de cana e uma produção integrada de bioetanol (primeira e segunda geração) poderia aumentar a produção total superior a 37%, com aproximadamente 110L por tonelada de cana. Além disso, foi possível a recuperação de uma fração rica em hemiceluloses com alto teor de xilana (28,9%) e 91,2% de deslignificação. A fração rica em hemicelulose foi hidrolisada com o complexo xilanolítico produzido permitindo a produção de 6,06 g.L-1 de xilooligossacarídeos onde a xilotriose representou mais de 70%. Os resultados obtidos mostraram o grande potencial do imidazol como nova estratégia de pré-tratamento do bagaço de cana para gerar produtos de valor agregado, levando a um processo eficiente e econômico na valorização de resíduos, redução de impactos ambientais para a implantação de biorrefinarias lignocelulósicas integradas.

Abstract: In the last years the world has been searching for clean and renewable alternatives to provide new materials and energy, reducing the dependence on petroleum fossil fuels. In Brazil the government policies have created the optimal scenario to consolidate the sugarcane mills with biofuels, sugar and bioelectricity production. However, population growth generates the need for increase the productivity, avoiding the increase in environmental impacts, which makes it necessary to search for new production strategies. For this reason, integrated lignocellulosic biorefineries are an alternative to produce different value-added biomolecules generating economical competitive, sustainable, and environmentally friendly processes. In this work, a new strategy is developed for the implementation of integrated lignocellulosic biorefineries, applying the use of imidazole as a new green solvent in the pre-treatment of sugarcane bagasse. This strategy seeks to increase the total productivity of bioethanol, avoiding the increase in cultivation areas with the valorization of agro-industrial residues. In addition, applying biorefinery approaches, the maximum use of sugarcane bagasse is sought for the production of other added-value biomolecules such as enzymes and prebiotics. The results showed a good performance in the xylanases production using sugarcane bagasse (74%) and soybean meal (26%) as substrate, obtained a production of 53.1 U.mL-1 of xylanases with a productivity of 0.44 U.mL1.h-1. On the other hand, a great performance of the imidazole in sugarcane bagasse after pre-treatment at 160 °C for 1h was observed. The pre-treatment allowed the recovery of a cellulose-rich fraction with 75% of delignification, which led to a 100% conversion of glucan to glucose after enzymatic hydrolysis. The bioconversion of hydrolysates by fermentation with Saccharomyces cerevisiae gave a high production yield (83.7%), which represents a production of 218 L of ethanol per ton of sugarcane bagasse and an integrated production of bioethanol (first- and second- generation) could increase the total production of more than 37%, with approximately 110 L per ton of sugarcane. Besides, was possible the recovery of a hemicellulose-rich fraction with high content of xylan (28.9%) and 91.2% of delignification. The hemicellulose-rich fraction was hydrolyzed whit the xylanolytic complex allowing the production of 6.06 g.L-1 of xylooligosaccharides where xylotriose represented more than 70%. The results obtained showed the great potential of imidazole as new strategy for sugarcane bagasse pre-treatment to generate value-added products, leading to an efficient and economic process with waste valorization, reduction of environmental impacts for the implementation of integrated lignocellulosic biorefineries.