Valorization of carbohydrates constituent of the cereal straw for bioetanol Production

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaCom o elevado crescimento populacional aumentou o consumo de combustíveis fósseis e com estes a produção de CO2. Na tentativa de reduzir estas emissões é imprescindível enveredar pelo uso de combustíveis alternativos, como o bioetanol. Este é o biocombustível mais utilizado no setor dos transportes e pode ser produzido a partir de resíduos de biomassa lenhocelulósica, tirando partido da sua abundância e do seu baixo custo. No presente trabalho utilizou-se uma matéria-prima abundante na zona do Baixo Mondego, a palha de arroz (PA), para a produção de bioetanol. A produção de bioetanol a partir de material lenhocelulósico é constituída por quatro etapas: o pré-tratamento, a hidrólise dos hidratos de carbono a açúcares simples, a fermentação dos açúcares em etanol e a sua purificação. Para este fim foi estudado o pré-tratamento alcalino, tendo sido realizados diversos ensaios em que se analisou a influência da concentração de NaOH, da temperatura, do tempo e ainda do pré-tratamento prévio com HCl. Nos ensaios de pré-tratamento cujas condições operatórias levaram à obtenção de melhores resultados de redução do teor de lenhina e de hidrólise enzimática (121ºC, 2 horas e 120 e 150 mg(NaOH)/g(PA)) foram sujeitos a um aumento de escala. Para isso, foi utilizada uma autoclave de maiores dimensões e o pré-tratamento foi realizado em frascos de 1 L em vez de 250 mL. Após caraterização do material sólido obtido, verificou-se que se obteve uma percentagem de deslenhificação de 87.8 e 90.4% nos ensaios realizado com 120 e com 150 mg(NaOH)/g(PA), respetivamente. Procedeu-se depois à hidrólise enzimática da biomassa com o complexo enzimático Cellic CTec2. Foram realizados ensaios de hidrólise enzimática em regime descontínuo e semi-descontínuo durante 72 horas, tendo-se concluído que estes não eram viáveis para a carga de hidratos de carbono estabelecida. Em alternativa foram realizados ensaios de SSF (Simultaneous Saccharification & Fermentation) em regime semi-descontínuo, onde se utilizou o mesmo complexo enzimático e a levedura S. cerevisiae ATCC 26602. Nestes obteve-se uma produção de etanol de 30.9 e 42.1 g/L, com uma produtividade de 0.64 e 0.38 g/(L h) e rendimento de conversão glucose-etanol de 69.3 e 95.3%, usando no pré-tratamento 120 e 150 mg(NaOH)/g(PA), respetivamente. Realizou-se ainda um ensaio de SSF com um meio nutricional alternativo sintético em que se obteve uma concentração máxima de etanol de 33.3 g/L, uma produtividade de 0.46 g/(L h) e um rendimento de 70.4%. Concluindo, foram alcançados os objetivos inicialmente propostos para o presente trabalho, tendo-se obtido uma produção de etanol satisfatória com os pré-tratamentos usados com a palha de arroz numa primeira fase de testes.With the high population growth, the consumption of fossil fuels has increased and consequently the production of CO2. In an attempt to reduce these emissions, it is essential to look for alternative fuels, such as bioethanol. This is the most used biofuel in the transport sector and can be produced from lignocellulosic biomass waste, due to its abundance and its low cost. In the present work an abundant raw material from Baixo Mondego zone was used, rice straw (RS), for the production of bioethanol. The production of bioethanol from lignocellulosic material consists of four stages: pre-treatment, hydrolysis of carbohydrates to simple sugars, fermentation of sugars in ethanol and its purification. For this purpose, the alkaline pre-treatment was studied, and several tests were carried out in order to evaluate the influence of NaOH concentration, temperature, time and previous pre-treatment with HCl. Pretreatment trials leading to the highest lignin reduction and enzyme hydrolysis (121°C, 2 hours and 120 and 150 mg(NaOH)/g(RS)) were scaled up. In this case, a larger autoclave was used and pretreatment was carried out in 1 L flasks instead of 250 mL. After the characterization of the obtained solid material, it was found that a delignification percentage of 87.8 and 90.4% was obtained in the assays performed with 120 and 150 mg(NaOH)/g(RS), respectively. The enzymatic hydrolysis of the biomass was then performed with the Cellic CTec2 enzyme complex. Enzymatic hydrolysis assays were performed in a batch and semi-batch regime for 72 hours, and it was concluded that these were not viable for the established carbohydrate quantity. Alternatively, SSF assays were performed in a semi-discontinuous regime, where the same enzyme complex and the yeast S. cerevisiae ATCC 26602 were used. Using the pre-treated samples produced with 120 and 150 mg(NaOH)/g(RS), a concentration of 30.9 and 42.1 g/L of ethanol was obtained, with a productivity of 0.64 and 0.38 g/(L h) and a glucose-ethanol conversion efficiency of 69.3 and 95.3%, respectively. An SSF test was also performed with a synthetic alternative nutrient medium in which was a maximum ethanol concentration 33.3 g/L was obtained, as well as a productivity of 0.46 g/(Lh) and a conversion efficiency of 70.4%. In conclusion, the objectives initially proposed for the present work were reached and a satisfactory ethanol production was obtained with this preliminary approach used to pre-treat the rice straw