masterThesis
Aplicação de diferentes estratégias de pré-tratamento para conversão da fibra de coco verde em etanol celulósico
Application of different pretreatment strategies to convert green coconut fiber into cellulosic ethanol
Registro en:
BRITO, Hellockston Gomes de. Aplicação de diferentes estratégias de pré-tratamento para conversão da fibra de coco verde em etanol celulósico. Orientador: Everaldo Silvino dos Santos. 2023. 100f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.
Autor
Brito, Hellockston Gomes de
Resumen
Large volumes of green coconut husk residues are generated from the
exploration of the fruit. Thus, arousing interest in the use of this lignocellulosic material as a
raw material for the production of biofuels. Therefore, the present study evaluates the
influence of different pre-treatments, aiming at using coconut fiber to obtain cellulosic
ethanol, being: sulfuric acid (H2SO4, 1% (v/v)) and steam explosion, as well as their
combination (combined pre-treatments) with sodium hydroxide (NaOH, 1 and 4% (m/v)) and
alkaline hydrogen peroxide (H2O2, 3 and 6% (m/v)). Were also evaluated separate hydrolysis
and fermentation (SHF), simultaneous saccharification and fermentation (SSF), and semisimultaneous saccharification, and fermentation (SSSF) strategies using the enzyme cocktail
Cellic CTec2 and the yeast Saccharomyces cerevisiae (PE-2). The evaluation of the pretreatments was carried out based on the analysis of the chemical composition of the materials,
using High-Performance Liquid Chromatography (HPLC), Fourier Transform Infrared
Spectroscopy (FTIR), and X-Ray Diffraction (DRX) for the crystallinity index. HPLC was
also used to evaluate the sugars during the hydrolysis and fermentation processes. The results
of the chemical composition of the applied pre-treatments, indicated that the pre-treatment
with sulfuric acid followed by NaOH (4.0% m/v) (ACN4) which presented the greatest
increase in the cellulose content (74.4% ) and pre-treatment with a steam explosion followed
by NaOH (4.0% m/v) (EXPN4) which showed the highest level of delignification (25%)
compared to in natura biomass, in order to facilitate enzymatic attack during the hydrolysis
step. It is noteworthy that practically all the hemicellulose was hydrolyzed in the acid pretreatment, thus, a significant concentration of xylose (10.5 g/L) was recorded in its liquid fraction, which was higher than that of the steam explosion (2.53 g/L). The use of sulfuric acid pre-treatments and steam explosion were effective to remove the hemicellulose present in
the coconut fiber, but the enzymatic digestibility values of the combined pre-treated materials
were low (cellulosic conversion less than 50%). In the enzymatic hydrolysis, the enzymatic
cocktail Cellic CTec2 was used in different enzymatic loads (10,0, 15,0 and 20,0 FPU/g),
with the best results obtained for the load of 10.0 FPU/g for using the ACN4 pre-treatment
and 15.0 FPU/g for the EXPN4 pretreatment, with cellulosic conversions 48.68 ± 1.98% and
50.24 ± 2.87%, glucose content 15.59 ± 0.63 g/L and 13.28 ± 0.75 g/L, for the ACN4 and
EXPN4 assays, respectively. Regarding the fermentation strategies that were carried out
varying the solid load, between 5% and 15% (m/v), the SSSF strategy, when using the acidalkaline pre-treatment with NaOH (4.0% m/v), showed a better result compared to SSF, with
a cellulosic ethanol yield of 46.67±2.31% and 18.37±0.91 g/L of ethanol. While HFS did not
show results regarding ethanol production. For all these reasons, green coconut fiber proved
to be suitable to be used to obtain second-generation ethanol (2G). Grandes volumes de resíduos da casca de coco verde são gerados a partir da
exploração do fruto. O que desperta interesse no aproveitamento deste material
lignocelulósico como matéria-prima para produção de biocombustíveis. Logo, o presente
estudo avaliou a influência de diferentes pré-tratamentos visando o aproveitamento da fibra de
coco para obtenção de etanol celulósico, sendo eles: o ácido sulfúrico (H2SO4, 1% (v/v)), a
explosão a vapor e a combinação destes (pré-tratamentos combinados) com hidróxido de
sódio (NaOH, 1 e 4% (m/v)) ou peróxido de hidrogênio alcalino (H2O2, 3 e 6% (m/v)). Foram
ainda avaliadas as estratégias de hidrólise e fermentação separadas (HFS), sacarificação e
fermentação simultâneas (SFS) e de sacarificação e fermentação semi-simultâneas (SFSS)
utilizando o coquetel enzimático Cellic CTec2 e a levedura Saccharomyces cerevisiae (PE-2).
A avaliação dos pré-tratamentos foi realizada a partir das análises da composição química dos
materiais, utilizando-se a Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE), a Espectroscopia
de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e a Difração de Raios-X (DRX) para o
índice de cristalinidade. A CLAE também foi utilizada para a avaliação dos açúcares durante
os processos de hidrólise e fermentação. Os resultados da composição química dos prétratamentos aplicados, apontaram que o pré-tratamento com o ácido sufúrico seguido por
NaOH (4,0% m/v) (ACN4) que apresentou o maior aumento teor de celulose (74,4%) e o prétratamento com explosão a vapor seguido por NaOH (4,0% m/v) (EXPN4) que apresentou o
maior nível de deslignificação (25%) em comparação a biomassa in natura, de modo a
facilitarem o ataque enzimático durante a etapa de hidrólise. Destaca-se que praticamente toda
a hemicelulose foi hidrolisada no pré-tratamento ácido, assim, foi registrada uma
concentração significativa de xilose (10,5 g/L) em sua fração líquida, que foi superior a do
explosão a vapor (2,53 g/L). O uso dos pré-tratamentos ácido e explosão a vapor foram
efetivos para remover a hemicelulose presente na fibra do coco, mas os valores de
digestibilidade enzimática dos materiais pré-tratados combinados apresentaram-se baixos
(conversão celulósica inferior a 50%). Na hidrólise enzimática utilizou-se o coquetel
enzimático Cellic CTec2 em diferentes cargas enzimáticas (10,0, 15,0 e 20,0 FPU/g), tendo
sido os melhores resultados obtidos para a carga de 10,0 FPU/g usando-se o pré-tratamento
ACN4 e 15,0 FPU/g para o pré-tratamento EXPN4, com conversões celulósicas 48,68
±1,98% e 50,24 ±2,87%, obtendo teores de glicose 15,59±0,63 g/L e 13,28±0,75 g/L, para os
ensaios ACN4 e EXPN4, respectivamente. Com relação às estratégias de fermentações que
foram realizadas variando-se a carga de sólido, entre 5% e 15% (m/v), a estratégia SFSS, ao
se utilizar o pré-tratamento ácido-alcalino com NaOH (4,0% m/v), apresentou melhor resultado comparado com a SFS, com rendimento de etanol celulósico de 46,67±2,31% e
18,37±0,91 g/L de etanol. Enquanto a HFS não apresentou resultados quanto a produção de
etanol. Assim, a fibra de coco verde mostrou-se adequada para ser aproveitada para obtenção
de etanol de segunda geração (2G).