Produção de açúcares por hidrólise enzimática de biomassa residual de eucalipto

Abstract

In the last decades, the world population had a great dependency on fossil fuels and their derivatives, causing environmental pollution and global warming. Therefore, environmentally friendly alternatives must be used, such as renewable energy sources like lignocellulosic biomass. Forest wastes can be utilized for the production of fermentable sugars to be used on several applications, especially in the production of biofuels.The main objective of this project was to study the production of fermentable cellulosic sugars from Eucalyptus globulus bark treated by: i) ethanol/water extraction + kraft pulping (K), ii) steam explosion (SE) and iii) steam explosion followed by organosolv (ethanol/water) (SE-OS). Enzymatic hydrolysis was then carried out with untreated and pretreated bark samples at 50 ºC. The effect of: different enzymes (Cellic® CTec2 and HTec2) in different proportions; ii) enzymatic loading (20 and 40 FPU/g dry pulp); iii) addition of a surfactants (Triton X-100); iv) consistency (6, 9, 15 and 20%); v) the type of agitation (orbital and mechanical); vi) the type of impeller (three radial glass blades, three axial glass blades, rushton turbine and pitched blade turbine); vii) volumetric scale-up (50, 100, 350 and 1225 mL) and viii) the operating mode (batch and fed-batch), on the production of fermentable sugars was studied.The enzymatic hydrolysis of K pulps at 6% consistency the highest concentration of obtained sugars was 50 mg/mL (ɳ HE = 100%), at orbital agitation, fed-batch mode and a volume of 50 mL. When mechanical stirring was applied with volume increases (50-1225 mL), sugar concentrations ranging from 43 to 48 mg/mL (ɳ HE = 86-97%) and 45 to 50 mg/mL (ɳ HE = 90-100%) were achieved in the batch and fed-batch, respectively. For a consistency of 9% and a volume of 350 mL, the maximum sugar concentration was 92 mg/mL (ɳ HE = 98%) at 24 h with three radial blade glass impeller and batch mode. In the enzymatic hydrolysis of SE, the maximum sugar concentration was 31 mg/mL (ɳ HE = 60%) at a consistency of 9% and enzymatic loading of 40 FPU/g. When the SE-OS samples were used, the presence of residual ethanol (from the organosolv treatment) was verified, which resulted in the inactivation of the enzyme. Although the ethanol was eliminated by drying the samples at a temperature of 40 degrees, the enzymatic hydrolysis did not improve and there was even a decrease in the concentration of sugars.

A população mundial, nas últimas décadas, dependeu fortemente dos combustíveis fósseis e seus derivados, que provocou a poluição ambiental e o aquecimento global. Com isto, procuraram-se alternativas mais ecológicas como as fontes de energia renováveis, obtidas a partir de resíduos florestais de origem celulósica, que podem ser usados para a produção de açúcares fermentáveis essenciais para diversos fins, nomeadamente na produção de biocombustíveis. O principal objetivo deste projeto foi estudar a produção de açúcares celulósicos fermentáveis a partir de casca de Eucalyptus globulus não-tratada e tratada com i) cozimento kraft e pré-extração etanol/água (K), ii) explosão a vapor (SE) e iii) a combinação deste com organosolv (etanol/água) (SE-OS). Desta forma, realizaram-se hidrólises enzimáticas com duas soluções enzimáticas (Cellic® CTec2 e HTec2) em diferentes proporções, duas cargas enzimáticas (20 e 40 FPU/g pasta seca) e um surfactante (Triton X-100). Estudou-se ainda o efeito de: i) consistência (6, 9, 15 e 20 %); ii) o tipo de agitação (orbital e mecânica); iii) o tipo de agitador (three radial glass blades, three axial glass blades, rushton turbine e pitched blade turbine); iv) o aumento de volume (50, 100, 350 e 1225 mL) e v) o modo de operação (batch e fed-batch). Nas hidrólises enzimáticas com uma consistência de 6% de amostras K, a concentração de açúcares foi de 50 mg/mL (ɳ HE = 100%) com agitação orbital, em modo fed-batch e para o volume de 50 mL. Quando se alterou para um sistema com agitação mecânica e aumento de volumes (50-1225 mL), a concentração de açúcares variou de 43 até 48 mg/mL (ɳ HE =86-97%) em batch e de 45 até 50 mg/mL em fed-batch (ɳ HE =90-100%). Para uma consistência de 9% e volume de 350 mL, a concentração máxima de açúcares foi 92 mg/mL (ɳ HE =98%) às 24 h com three radial blade glass impeller (S) e em modo batch. Nas hidrólises enzimáticas com amostras SE a concentração máxima de açúcares foi 31 mg/mL (ɳ HE =60%) para uma consistência de 9% e carga enzimática de 40 FPU/g. Quando se utilizaram as amostras SE-OS, verificou-se a presença de etanol residual (do tratamento) que resultou na inativação da enzima. Mesmo sendo eliminado através de uma secagem das amostras à temperatura de 40 graus, a hidrólise enzimática não melhorou e verificou-se mesmo o decréscimo na concentração de açúcares.