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Previous issue date: 2016-02-12 / Ethanol is considered a promising alternative to fossil fuels and causes less environmental
impact, which implies an increase in the consumption of biofuel. To meet this demand,
research has been conducted with alternative raw materials to complement the production of
first generation ethanol. In Brazil, sweet sorghum is being studied for the expansion of
sugarcane industry due to its rapid growth and the possibility of cultivating it during the
season-cropping of sugarcane. However, during processing of sweet sorghum for ethanol
production, generation of bagasse occurs, a material composed primarily of cellulose and
hemicellulose, which can be considered a potential source of feedstock for bioprocesses.
Therefore, the purpose of this study was the use of the sugars from the hemicellulose and
the cellulosic fractions of the sweet sorghum bagasse, for the production of second
generation ethanol by pentoses and hexoses fermentation yeasts, respectively. After
chemical characterization of sorghum bagasse of six cultivars, they were subjected to mild
acid hydrolysis with variations in temperature (111; 115 °C and 121), time (40, 50, and 60
min) and concentration of sulfuric acid (075; 1.25 and 1.75% w/v) using a central composite
design (DCC) and response surface to find the condition that is conducive to high
concentrations of sugars and less toxic compounds in the hemicellulosic hydrolysate. After
the hydrolysate was concentrated and detoxified, it was submitted to fermentation by the
yeast Schefferosomyces stipitis in a bioreactor at 30 °C, with kLa 4.9 h-1, pH 5.5 and volume
of 4.5 liters. The solid biomass (cellulignin) that resulted from the acid treatment was
submitted to evaluation of the percentage of cellulose, hemicellulose and lignin and then to
studies with variation in the concentration of NaOH (1; 2.5 to 4%) and time (20, 40 and 60
min). After the treatment with the best condition of removal of lignin, cellulosic biomass was
subjected to enzymatic hydrolysis with variation in the concentration of cellulase NS22086
(15, 20 and 25 FPU/g) and β-glucosidase NS22118 (1/3 to 2/3) and temperature of 38; 41 to
44 °C, in order to obtain the best saccharification rates and high glucose concentrations. The
production of ethanol from the cellulosic fraction was then carried out with Kluyveromyces
marxianus, during simultaneous saccharification and fermentation (SSF) at three different
temperatures (38, 41 and 44 °C) for fermentation. The chemical composition between
different varieties studied was similar and varied from 22-26% of lignin, from 30-32% of
hemicellulose and 32-37% of cellulose. In the study of the hydrolysis conditions of
hemicellulose, it was found that the acid concentration was the most important factor, and
the condition that resulted in the highest concentration of sugars (14.22 g/L xylose and 2.42
g/L glucose) was 1.75% H2SO4, 40 minutes and 121 °C. This same condition showed low
quantities of toxic compounds (1.34 g/L of acetic acid, 0.90 g/L of phenol; 124.54 mg/L of
hydroxymethylfurfural and 978 mg/L furfural). The production of ethanol by S. stiptis in the
hemicellulosic hydrolysate resulted in a concentration of 22 g/L ethanol, Yp/s of 0.40 g/g; Yx/s
0.28 g/g and Qp of 0.34 g/L.h-1. For the study of cellulignin delignification it was found that
2.5% NaOH for 60 minutes was the best condition for the removal of lignin (68%). During the
enzymatic hydrolysis of the cellulosic portion, it was verified that the increase of cellulase
from15 to 25 FPU/g resulted in higher concentration of glucose. In addition, the increase of
β-glucosidase also resulted in the largest amount of glucose in a shorter time. The
temperature also increased and accelerated the process of saccharification of cellulose. The
simultaneous saccharification fermentation with K. marxianus was shown to be affected by
the temperature studied, and the maximum ethanol concentration was reached (9.41 g/L)
after 72 hours at 41 °C. With these results, it was possible to consider that the bagasse of
sweet sorghum is a promising material in the field of second generation ethanol production
both from hemicellulose and cellulose. / O etanol é considerado uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis, o que implica
no aumento do consumo deste biocombustível. Para suprir essa demanda, pesquisas têm
sido realizadas com matérias primas alternativas para complementar a produção de etanol
de primeira geração. No Brasil, o sorgo sacarino está sendo estudado para ampliação do
setor sucroenergético por ter crescimento rápido e possibilidade de cultivo na entressafra da
cana-de-açúcar. Porém, durante o processamento do sorgo sacarino ocorre a geração do
bagaço como material excedente, que é constituído principalmente por celulose e
hemicelulose, e que pode ser considerado matéria-prima em potencial para bioprocessos.
Portanto, o objetivo deste trabalho foi estudar o aproveitamento dos açúcares das frações
hemicelulósica e celulósica do bagaço de sorgo sacarino para produção de etanol de
segunda geração por leveduras fermentadoras de pentoses e hexoses, respectivamente.
Após a caracterização química do bagaço de sorgo, este foi avaliado através de estudo de
delineamento composto central (DCC) e superfície de resposta à hidrólise ácida branda com
variações na temperatura (111; 115 e 121 °C), tempo (40; 50 e 60 min) e concentração de
ácido sulfúrico (0,75; 1,25 e 1,75% m/v) a fim de encontrar a condição que propiciasse altas
concentrações de açúcares e menores de compostos tóxicos no hidrolisado hemicelulósico.
Após o hidrolisado ser concentrado e destoxificado, seguiu para fermentação pela levedura
Schefferosomyces stipitis em biorreator a 30 °C, com kLa de 4,9 h-1, pH 5,5 e volume de 4,5
litros. A biomassa sólida (celulignina) resultante do tratamento ácido foi submetida à
avaliação da porcentagem de celulose, hemicelulose e lignina e seguiu para estudo da
deslignificação com variação na concentração de NaOH (1; 2,5 e 4%) e tempo (20, 40 e 60
min). Após tratamento com a melhor condição de remoção da lignina, a biomassa foi
submetida à hidrólise enzimática com variação na concentração de celulase NS22086 (15;
20 e 25 FPU/g) e de β-glicosidase NS22118 (1/3 a 2/3) e temperatura (38; 41 e 44 °C), a fim
de obter as melhores taxas de sacarificação e altas concentrações de glicose. A produção
de etanol a partir da fração celulósica foi então realizada com Kluyveromyces marxianus
durante sacarificação simultânea à fermentação (SSF) em três diferentes temperaturas (38;
41 e 44 °C) de incubação. A composição química do bagaço variou entre 22-26% de lignina,
30-32% de hemicelulose e 32-37% de celulose. A concentração de ácido sulfúrico foi o fator
que teve maior influência na formação de açúcares e hidrólise da hemicelulose e a condição
que resultou na maior concentração de açúcares (14,22 g/L de xilose e 2,42 g/L de glicose)
foi 1,75% de H2SO4, 40 minutos a 121 °C. Essa mesma condição apresentou baixas
quantidades de compostos tóxicos (1,34 g/L de ácido acético, 0,90 g/L de fenólicos; 124,54
mg/L de hidroximetilfurfural e 978 mg/L de furfural). A produção de etanol por S. stiptis no
hidrolisado hemicelulósico resultou em uma concentração de 22 g/L de etanol, Yp/s de 0,40
g/g; Yx/s de 0,28 g/g e Qp de 0,34 g/L.h-1. No estudo de deslignificação da celulignina foi
verificado que 2,5% de NaOH, 121 0C por 60 minutos foi a melhor condição na remoção de
lignina (68%). Durante a hidrólise enzimática da porção celulósica foi verificado que o
aumento da concentração da celulase de 15 para 25 FPU/g resultou na maior concentração
de glicose. Além disso, o aumento da β-glicosidase diminui o tempo de hidrólise e o
aumento da temperatura favoreceu o processo de sacarificação da celulose. A sacarificação
simultânea à fermentação com K. marxianus demonstrou ser afetada pela temperatura
estudada e a máxima concentração de etanol foi alcançada (9,41 g/L) com 72 horas a 41 °C.
Com esses resultados, é possível considerar que o bagaço do sorgo sacarino é uma matéria
prima promissora na produção de etanol de segunda geração tanto a partir da hemicelulose
como de celulose.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede.unioeste.br:tede/260 |
| Date | 12 February 2016 |
| Creators | Camargo, Danielle |
| Contributors | Sene, Luciane, Kadowaki, Marina Kimiko, Gomes, Simone Damasceno, Sydney, Alessandra Cristine Novak, Sydney, Eduardo Bittencourt |
| Publisher | Universidade Estadual do Oeste do Parana, Programa de Pós-Graduação "Stricto Sensu" em Engenharia Agrícola, UNIOESTE, BR, Engenharia |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do UNIOESTE, instname:Universidade Estadual do Oeste do Paraná, instacron:UNIOESTE |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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