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Previous issue date: 2016-04-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The complex cell wall structure of lignocellulosic biomass makes pretreatment one of the most
relevant 2G ethanol production process steps due to the difficulty of hydrolyzing lignocellulose
to fermentable sugars and the cost of the process as a whole. The optimization of enzymatic
hydrolysis conditions is crucial for reaching high yields that make the process feasible. In this
way, the aim of this work is to assess the stages of pretreatment and enzymatic hydrolysis of
the cellulosic fraction of straw sugarcane. All samples were chemically characterized before
and after the pretreatment step. Hydrothermally pretreatment was evaluated in four conditions:
170ºC / 5 min, 170ºC / 15 min, 220°C / 5 min, 220°C / 5 min, and 195ºC / 10 min. Higher
hemicellulose removal (85.58%) was found at 195ºC / 10 min. This operational condition was
set as a reference. Hydrolysis experiments were carried out in Erlenmeyer flasks at 50ºC, 250
rpm and pH 4.8, with a reaction volume of 50 mL. Two sets of experiments were performed.
In the first, the effect of substrate concentration was evaluated varying solid load (5; 10; 15;
20% msolid/vsolution) with enzyme load constant in 13 FPU.gbiomass. At 72h of enzymatic reaction,
cellulose conversions were: 72% (5% of solids), 84% (10% of solids), 72% (15% of solids),
and 59% (20% solids). In the second set, the enzyme (Cellic®CTec2) load effect (3; 7; 10; 13;
16; 40 FPU/gbiomass) with solid load settled at 15% (msolid/vsolution), was assessed. For assays with
15% of solid load, cellulose conversions were: 48% (3 FPU/gbiomass), 58% (7 FPU/gbiomass), 66%
(10 FPU/gbiomass), 72% (13 FPU/gbiomass), 71% (16 FPU/gbiomass), and 74% (40 FPU/gbiomass). A
trade-off between solid load and enzyme dosage was found (15% m/v and 13 FPU/gbiomass)
which results in 72,4% of cellulose to glucose conversion. After that it was studied the products
inhibition effect on hydrolysis was assessed. glucose and cellobiose (10 and 30g.L-1) caused a
higher inhibitory effect. Xylose did not show the significant inhibitory effect on β-glucosidase.
However, glucose and cellobiose had significant inhibitory effects on endoglucanase and
exoglucanase as well as on β-glucosidase. Hydrolysis experiments were conducted in the batch
reactor (3 L) with 10% solids to compare the performance with the hydrolysis conducted in
Erlenmeyer flasks. At 72h hydrolysis cellulose to glucose, conversion was obtained in 84.8%
(Erlenmeyer flask) and 80.2% (in the reactor); hydrolysis profiles obtained were similar in both
conditions evaluated. In face of this, it was opted by conduct experiments in bioreactor (50 mL)
using solid loads of 15 and 20% showed the best cellulose to glucose conversions when
compared to those carried out in shake flasks in the same conditions. / A complexa estrutura da parede celular da biomassa lignocelulósica torna o pré-tratamento uma das etapas
operacionais do processo de produção do etanol 2G mais relevantes, devido tanto à dificuldade de se
hidrolisar lignocelulose a açúcares fermentescíveis quanto ao custo do processo como um todo. A
otimização das condições de pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática é crucial, para atingir altos
rendimentos que tornem o processo de produção de etanol 2G viável. Assim, o objetivo deste trabalho foi
estudar as etapas de pré-tratamento hidrotérmico e hidrólise enzimática da fração celulósica da palha de
cana-de-açúcar. Todas as amostras foram caracterizadas quimicamente antes e após o pré-tratamento.
Neste estudo foram avaliadas quatro condições de pré-tratamento: 170oC/5 min., 170oC/15 min., 220ºC/5
min, 220ºC/15 min e 195oC/10 min. A amostra proveniente do tratamento a 195oC/10 min. foi a que
obteve maior remoção de hemicelulose, 85,58%, sendo essa condição de tratamento empregada como
referência. Os experimentos de hidrólise enzimática foram realizados em frascos de Erlenmeyer a 50oC,
250 rpm e pH 4,8 (volume reacional de 50 mL). Foram avaliados o efeito da carga de sólidos (5, 10, 15 e
20% m/v) mantendo a carga enzimática em 13 FPU/gbiomassa. Em 72h de hidrólise as conversões de
celulose obtidas foram: 72% (5% de sólidos), 84% (10% de sólidos), 72 % (15% de sólidos) e 59% (20%
de sólidos). Em seguida foram avaliados o efeito da carga de enzima (3, 7, 10, 13, 16, e 40 FPU/gbiomasssa)
mantendo a carga de sólidos em 15%. Nos experimentos realizados com 15% de sólidos as conversões
obtidas foram: 48% (3 FPU/gbiomasssa), 58% (7 FPU/gbiomasssa), 66% (10 FPU/gbiomasssa), 72% (13
FPU/gbiomasssa), 71% (16 FPU/gbiomasssa) e 74% (40 FPU/gbiomasssa). Considerou-se como melhor resultado o
ensaio com 15% de sólidos e 13 FPU/gcelulose, que resultou em 72,4% de conversão de celulose em glicose.
Em seguida foi estudado o efeito de inibição dos produtos durante a hidrólise obtendo-se um maior efeito
inibidor para a glicose e celobiose (10 e 30g.L-1). A xilose não apresentou efeito inibidor significativo sobre
a -glicosidase, porém a glicose e a celobiose apresentaram efeitos inibitórios significativos tanto nas
endoglucanase e exoglucanase quanto na -glicosidase. Foram realizados experimentos de hidrólises em
reator de bancada (3 L) com 10% de sólidos para comparar o desempenho com as hidrólises realizadas
em frascos de Erlenmeyer. Em 72h de hidrólise as conversões de celulose a glicose obtidas foram de
84,8% (em frasco de Erlenmeyer) e de 80,2% (em reator), os perfis de hidrólises obtidos foram similares
em ambas às condições avaliadas. Diante do que foi colocado, optou-se pela realização de experimentos
em reator (50 mL) nas cargas de sólidos de (15 e 20%) que então apresentaram melhores conversões de
celulose a glicose quando comparados com os resultados de experimentos realizados em frascos de
Erlenmeyer nas mesmas cargas de sólidos.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/8489 |
| Date | 08 April 2016 |
| Creators | Souza, Renata Beraldo Alencar de |
| Contributors | Cruz, Antonio José Gonçalves da |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Câmpus São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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