Tese
Pré-tratamento de biomassa pelo método organosolv utilizando glicerol para obtenção de açúcares redutores
Pre-treatment of biomass by the organosolv method using glycerol to obtainment reducing sugars
Registro en:
SANTANA, Joselaine Carvalho. Pré-tratamento de biomassa pelo método organosolv utilizando glicerol para obtenção de açúcares redutores. 2020. 138 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, SE, 2020.
Autor
Santana, Joselaine Carvalho
Institución
Resumen
The production of the cellulosic ethanol is not yet economically viable, the main
obstacle is the intrinsic strength between the components of biomass. Therefore,
a pretreatment needs to be carried out to break down lignocellulose and make
carbohydrates available for the enzymatic hydrolysis and fermentation
processes. In this context, the organosolv pretreatment with glycerol has been
investigated. The use of glycerol is promising due to its economically and
environmentally sustainable aspect. Organosolv pretreatment reactions with
glycerol, applied to water hyacinth (Eichhornia crassipes), were performed with
evaluation of the effects of the following variables: time (10-120 min), temperature
(100-220 °C), solid/liquid ratio (1-6%), water percentage (0-40%), and cobalt
ferrite (CoFe2O4) catalyst (0-10%). The objective was to optimize the process in
order to maximize the yield of sugars in subsequent enzymatic hydrolysis. The
optimized condition obtained using a 25-1 experimental design was as follows:
time of 10 min, temperature of 220 °C, solid/liquid ratio of 6%, 0% water, and 0%
catalyst, which resulted in 37% release of sugars. Others sources of iron were
also tested (FeCl3 and FeSO4). Unlike CoFe2O4, these added iron salts presented
activity, under the optimal condition. The use of FeSO4 and FeCl3 at 0.1 mol.L-1
increased the release of sugars to 41 and 51%, respectively. It was evident that
the activity of the iron was determined by the form in which it was present. In view
of this optimization, a factorial design 23 was carried out to investigate the
synergism between particle size (<0.85 - > 2.0 mm), FeCl3 concentration (0.025-
0.175 mol.L-1
) and temperature (160-220 ºC), in the deconstruction of water
hyacinth, sugarcane bagasse, corn straw and green coconut shell. The analysis
of the effects indicated that the type of lignocellulose interferes with the action of
the variables, but an optimal condition in common (<0.85 mm; 0.025 mol.L-1
; 220
° C) was found, viable for using a small amount of catalyst. For water hyacinth,
this new optimization, besides reducing the amount of FeCl3 used by 75%,
increased the amount of glucose produced per 100 grams of fresh biomass by
64%, from 14 g / 100 g to 23 g / 100 g after 48 h of enzymatic hydrolysis, due to
greater cellulose recovery in the pre-treated biomass. Biomasses pretreated with
this combination of factors exhibited enzymatic digestibility greater than 93% after
48 h, reflecting an efficient reduction in recalcitrance, due to the high removal of
hemicellulose, approximately 90%, related to the use of FeCl3 that favored its
decomposition, also occurred considerable delignification. There was low
formation of inhibitors in the hydrolyzate, indicating that it can be directly
fermented. In liqueurs, fermentation can be carried out after the separation of
acetic acid, and the lignin removed for them can be easily recovered only by
centrifugation. Tests carried out in the optimum condition revealed that FeCl3 is
more viable than HCl, and that after pre-treatment the biomass can be directly
subjected to enzymatic hydrolysis without washing and moist. In addition, crude
glycerol, after simple treatment, provided the same effectiveness as commercial
glycerol. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Fundação de Apoio a Pesquisa Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE A produção do etanol celulósico ainda não é economicamente viável, o principal
entrave é a força intrínseca entre os componentes da biomassa. De modo que
um pré-tratamento precisa ser realizado para desagregar a lignocelulose e
disponibilizar os carboidratos para os processos de hidrólise enzimática e
fermentação. Nesse contexto, o pré-tratamento organosolv com glicerol vem
sendo investigado. O uso do glicerol mostra-se promissor devido ao seu aspecto
sustentável econômico e ambientalmente. Nesse estudo, reações de prétratamento organosolv com glicerol, inicialmente aplicadas ao aguapé
(Eichhornia crassipes), foram realizadas com avaliação dos efeitos das
seguintes variáveis: tempo (10-120 min), temperatura (100-220 °C), razão
sólido/líquido (1-6%), porcentagem de água (0-40%) e catalisador ferrita de
cobalto (CoFe2O4) (0-10%). O objetivo foi otimizar o processo, a fim de maximizar
o rendimento em açúcares na subsequente hidrólise enzimática. A condição
otimizada, pelo delineamento experimental 25-1
, foi a seguinte: tempo de 10 min,
temperatura de 220 °C, razão sólido/líquido de 6%, 0% de água e 0% de
catalisador, que resultou em 37% de açúcares liberados. Outras fontes de ferro
também foram testadas (FeCl3 e FeSO4). Diferentemente do CoFe2O4 esses sais
de ferro, adicionados na condição ótima, apresentaram atividade. O uso de
FeSO4 e FeCl3 a 0,1 mol.L-1 aumentou a liberação de açúcares para 41 e 51%,
respectivamente. Evidenciando que a atividade do ferro é determinada pela
forma em que se encontra disponível no meio reacional. Diante dessa
otimização, foi realizado um planejamento fatorial 23 para investigar o sinergismo
entre o tamanho de partícula (< 0,85 - >2,0 mm), a concentração de FeCl3 (0,025-
0,175 mol.L-1
) e a temperatura (160-220 °C), na desconstrução do aguapé,
bagaço de cana, palha de milho e casca de coco verde. A análise dos efeitos
indicou que o tipo de lignocelulose interfere na ação das variáveis, mas
encontrou-se uma condição ótima em comum (< 0,85 mm; 0,025 mol.L-1
; 220
°C), viável por usar pequena quantidade de catalisador. Para o aguapé essa
nova otimização além de reduzir em 75% a quantidade usada de FeCl3,
aumentou em 64% a quantidade de glicose produzida por 100 gramas de
biomassa in natura, passando de 14 g/100 g para 23 g/100 g após 48 h de
hidrólise enzimática, devido a maior recuperação de celulose na biomassa pré-
tratada. As biomassas pré-tratadas com essa combinação de fatores exibiram
digestibilidade enzimática superior a 93% após 48 h, reflexo de uma eficiente
redução da recalcitrância, devido à alta remoção de hemicelulose,
aproximadamente 90%, relacionada ao uso do FeCl3 que favoreceu a sua
decomposição, também ocorreu considerável deslignificação. Ocorreu baixa
formação de inibidores no hidrolisado, indicando que pode ser diretamente
fermentado. Nos licores a fermentação poderá ser realizada após a separação
do ácido acético, e a lignina removida para esses pode ser facilmente recuperada
apenas por centrifugação. Testes realizados na condição ótima revelaram que o
FeCl3 é mais viável que o HCl, e que após o pré-tratamento a biomassa pode ser
diretamente submetida a hidrólise enzimática sem lavagem e úmida. Além disso,
o glicerol bruto, após tratamento simples, proporcionou a mesma eficácia do
glicerol comercial. São Cristóvão, SE