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

Detalhes bibliográficos
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: https://hdl.handle.net/1884/32102
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira Ramos
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spelling Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em QuímicaRamos, Luiz Pereira, 1960-Pitarelo, Ana Paula2024-08-16T14:37:59Z2024-08-16T14:37:59Z2013https://hdl.handle.net/1884/32102Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira RamosTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa: Curitiba, 29/05/2013Bibliografia: fls. 140-162Resumo: 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.Abstract: The steam explosion of sugarcane bagasse was carried out in the absence (autohydrolysis) and in the presence of phosphoric acid as the pretreatment catalyst, with the objective of evaluating the effects of temperature (180 and 210 °C), phosphoric acid concentration (0 and 19 mg.g-1 of dry substrate) and pretreatment time (5 and 10 min) on the structure and reactivity of the lignocellulosic material. Autohydrolysis at the most drastic pretreatment conditions (210°C, 10 min) increased hemicellulose removal and cellulose accessibility to enzymatic hydrolysis but milder conditions (180°C, 5 min) were also successful when phosphoric acid was used as an acid catalyst. The best conditions were defined as those in which high anhydroglucose yields were obtained after pretreatment and enzymatic hydrolysis. The best substrates were derived from experiments B08 (180°C, 5 min,19 mg H3PO4.g-1 of dry substrate) and B16 (195°C, 7.5 min), as well as from the center point of the experimental design (195°C, 7.5 min, 9.5 mg H3PO4.g-1 of dry substrate). Hydrolysis for 96 h using 8 wt% of substrate (dry basis) and 30 mg enzyme.g-1 of substrate (Cellic CTec 2, Novozymes) provided total enzymatic hydrolysis yields of 77.93, 80.58 and 66.27±0.66% from these substrates, respectively. The production of cellulosic ethanol was performed by both separate hydrolysis and fermentation (SHF) and simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of pretreated substrates derived from autohydrolysis (B16) and phosphoric acid catalysis (center point) using industrial strains of Saccharomyces cereviseae. The best yields were obtained from water-washed substrates (BEV-IA) derived from autohydrolysis, which were able to produce 25.02 g.L-1 and 21.68 g.L-1 of ethanol from its cellulosic component by SHF and SSF, respectively. Alternatively, at the center point of the experimental design, the average ethanol production was 23.5±0.96 g.L-1 for SHF and 17.62±0.96 g.L-1 for SSF. However, when both SHF and SSF experiments were carried out with unwashed substrates (BEV-SL), that is, without the use of water washing after pretreatment, much lower ethanol yields were obtained in relation to the experiments carried out with water-washed substrates (BEV-IA). These results showed that high yields of fermentation are only obtained when the pretreated material is submitted to a pre-washing stage to remove water-soluble inhibitory components that are generated during pretreatment. Under the conditions used in this study, furfural was the most important inhibitor for the fermentation microorganisms, meaning that other inhibitory compounds such as phenolic acid and acetic acid were not produced in concentrations high enough to compromise hydrolysis and fermentation. The chemical modifications that occurred in cane bagasse after steam explosion were also evaluated and compared to the chemical composition of the untreated material. The conditions used for this prupose from a mathematical modeling of the pretreatment data, having its total anhydroglucose yield as the main response surface, along with the total release of furfural in the water-soluble fraction. The best conditions revealed by this model were those in which bagasse was pretreated at 180 ºC for 5 or 10 min using 9.5 mg H3PO4.g-1 of dry substrate (experiments B18 and B19, respectively). The chemical characterization of the pretreated substrates revealed that pretreatment decreased the cellulose degree of polymerization in 40% and produced a substrate with high crystallinity index, probably due to the partial removal of hemicelluloses and lignin. However, the molar mass of pretreated lignin was not significantly altered in relation to lignin of the untreated bagasse, despite of its partial acid hydrolysis in water-soluble aromatic compounds. This suggests that acid hydrolysis prevailed over condensation reactions that occur preferably under more drastic pretreatment conditions. Based on the fermentation yields obtained in this study, it seems that the total ethanol production per ton of sugarcane could be increased from 80 to 111 liters if the glucose provenient from the enzymatic hydrolysis of cane bagasse were added to the already existing sucrose fermentation.162 f. : il.[algumas color.], tabs., grafs.,.application/pdfDisponível em formato digitalÁlcoolBagaço de cana na produção de celuloseQuímicaProdução de etanol celulósico a partir do bagaço de cana pré-tratado por explosão a vaporinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - ANA PAULA PITARELO.pdfapplication/pdf3186849https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/32102/1/R%20-%20T%20-%20ANA%20PAULA%20PITARELO.pdfb433042734c8556f4732664ca7b4ced4MD51open accessTEXTR - T - ANA PAULA PITARELO.pdf.txtExtracted Texttext/plain371864https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/32102/2/R%20-%20T%20-%20ANA%20PAULA%20PITARELO.pdf.txte5351455deb951c14e0a6c6c60f4d634MD52open accessTHUMBNAILR - T - ANA PAULA PITARELO.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1328https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/32102/3/R%20-%20T%20-%20ANA%20PAULA%20PITARELO.pdf.jpgc8d994e81b67dd7ac218ec055bc97b71MD53open access1884/321022024-08-16 11:37:59.772open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/32102Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-08-16T14:37:59Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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