Produção de etanol celulósico a partir do bagaço de cana pré-tratado por explosão a vapor

• Autor(a) principal: Pitarelo, Ana Paula
• Data de Publicação: 2013
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1884/32102
• topic: Teses

Resumo: A explosão a vapor do bagaço de cana-de-açúcar foi realizada na ausência (auto-hidrólise) e na presença de ácido fosfórico como catalisador com o objetivo de avaliar os efeitos da temperatura (180 e 210°C), da concentração de ácido fosfórico (0 e 19 mg.g-1 de bagaço seco) e do tempo de permanência no reator (5 e 10 min) sobre a estrutura e a reatividade do material lignocelulósico. Os resultados revelaram que, para os experimentos de autohidrólise, o aumento da drasticidade do pré-tratamento (210ºC por 10 min) aumentou a solubilização das hemiceluloses e a acessibilidade da celulose à hidrólise enzimática, ao passo que, para os experimentos de catálise fosfórica, resultados equivalentes foram obtidos em condições mais suaves de pré-tratamento (180ºC por 5 min). A partir dos resultados de recuperação de anidroglucose após o pré-tratamento e de conversão de celulose em glucose via hidrólise enzimática, os substratos escolhidos para serem testados na etapa de fermentação foram correspondentes aos experimentos B08 (180°C por 5 min com 19 mg H3PO4.g-1 de bagaço seco), B16 (7,5 min, 195 °C) e ao ponto central do planejamento (195°C por 7,5 min com 9,5 mg H3PO4.g-1 de bagaço seco), que proporcionaram rendimentos totais de sacarificação de 77,93; 80,58 e 68.27±0,66 %, respectivamente, após 96 h de hidrólise a 8% com 30 mg de enzima.g-1 de substrato (Cellic CTec 2, Novozymes). A produção de etanol celulósico foi realizada pelos processos sacarificação e fermentação em separado (SHF) e sacarificação e fermentação simultâneas (SSF) a partir dos substratos produzidos por autohidrólise e por catálise fosfórica. Os maiores rendimentos de fermentação foram obtidos para o substrato autohidrolisado (195ºC, 7,5 min) previamente lavado com água (BEV-IA), que produziu 25,02 g.L-1 (SHF) e 21,68 g.L-1 (SSF) de etanol a partir de seu componente celulósico. Já para o ponto central do planejamento, a produção média foi de 23,5±0,96 g.L-1 para SHF e 17,62±0,96 g.L-1 para SSF. Por outro lado, os ensaios de SHF e SSF obtidos para os substratos não lavados com água (BEV-SL) foram muito inferiores aos experimentos realizados com os substratos lavados (BEV-IA). Estes resultados mostraram que altos rendimentos de fermentação são obtidos quando o material pré-tratado é submetido a uma etapa de lavagem para a remoção dos compostos solúveis gerados durante o pré-tratamento. Além disto, foi demonstrado que o furfural é um dos principais inibidores dos microrganismos utilizados na fermentação. As modificações químicas que ocorreram no bagaço de cana após a explosão a vapor foram avaliadas em relação ao bagaço in natura, sendo que as condições de pré-tratamento empregadas neste estudo foram escolhidas a partir da modelagem matemática realizada para estimar o percentual de recuperação de anidroglucose e a produção de furfural em relação às principais variáveis empregadas no processo. Tais condições corresponderam aos experimentos realizados a 180ºC por 5 e 10 min usando 9,5 mg H3PO4.g-1 de bagaço (massa seca) (experimentos B18 e B19, respectivamente). A caracterização química dos substratos pré-tratados, em comparação com o material in natura, revelou que o pré-tratamento diminuiu o grau de polimerização da celulose em 40% e produziu um substrato com maior índice de cristalinidade, provavelmente devido à remoção parcial das hemiceluloses e da lignina. Já a massa molar aparente da lignina pré-tratada não foi alterada significativamente em relação à lignina do bagaço in natura, apesar dos efeitos de sua hidrólise ácida parcial em compostos aromáticos hidrossolúveis. Tal contradição foi atribuída à prevalência de reações de hidrólise sobre as de condensação, que ocorrem preferencialmente sob condições mais drásticas de pré-tratamento. Com base nos dados de fermentação obtidos neste trabalho, foi comprovado que a produção de etanol por tonelada de cana processada poderá aumentar de 80 para 111 litros com o aproveitamento dos açúcares fermentescíveis oriundos da hidrólise enzimática da celulose presente no bagaço de cana.