Obtenção de hidrolisado enzimático da fração celulósica de resíduos sólidos da palma a produção de bioetanol : subprojeto C-2 tratamento de resíduos da Palma, Projeto BIOPAL - Vale S.A.

Orientadora : Profa. Dra. Luciana Porto de Souza VandenbergheCo-orientador : Prof.. Dr. Carlos Ricardo SoccolDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa: Curitiba, 28/04/2014Inclui referênciasÁrea de concentração: Agroindustria e biocombustíveisResumo: Este trabalho foi desenvolvido no contexto do projeto intitulado "BIOPAL - Biorefinarias Integradas ao Processamento Sustentável da Palma - Subprojeto Rota Biológica", com o suporte financeiro da empresa Vale S.A. O projeto global visa o reaproveitamento dos resíduos do processamento da palma em um processo integrado com a aplicação do conceito de biorrefinaria. A produção em grande escala do etanol celulósico de 2ª geração possui alguns desafios a serem vencidos. São eles: obter um substrato puro em celulose, sem hemicelulose e lignina, aumentar a eficiência da hidrólise da celulose rendimento glicosídico, melhorar a fermentabilidade do hidrolisado e reduzir custos para tornar o processo viável economicamente. Grande quantidade de palma vem sendo produzida no Brasil e com isso a geração de resíduos e o seu impacto aumentam. Um dos resíduos gerados são os cachos de frutos vazios ou empty fruit bunches (EFB). O objetivo deste trabalho foi otimizar as condições da hidrólise enzimática do resíduo EFB, após pré-tratamento físico químico, para obtenção de um hidrolisado rico em glicose e subsequente fermentação para a produção de bioetanol. Para isso foram realizados pré-tratamentos consecutivos: o ácido com HCl (2,5%) e o básico com NaOH (5%), para a hidrólise da hemicelulose e lignina, respectivamente, deixando a celulose mais susceptível à hidrólise enzimática. Ambos os tratamentos foram conduzidos em autoclave a 121ºC por 60 min. Após o pré-tratamento básico, lavagens sucessivas com água deionizada no resíduo foram realizadas com o objetivo de remover os compostos inibidores, previamente à hidrólise enzimática. Otimizações das condições de hidrólise enzimática tais como concentração de enzimas, concentração de substrato (EFB ou Avicel-celulose cristalina) e tempo de reação foram realizadas, utilizando dois complexos enzimáticos diferentes, um composto somente por Cellic CTec2 e outro por Celluclast 1.5L em conjunto com Novozymes 188. A produção de etanol celulósico foi realizada pelo processo de sacarificação e fermentação separado (SHF) do hidrolisado obtido após escalonamento da hidrólise enzimática dos EFBs pré-tratados em condições otimizadas. Por meio de análises em MEV, foi possível observar que o pré-tratamento utilizado foi responsável por fragilizar as fibras de celulose, tornando-as mais acessíveis às enzimas. Além disso, a sílica presente nas fibras foi eliminada após o pré-tratamento. Após lavagens sucessivas os compostos inibidores foram retirados da fibra, ambos para melhorar a hidrólise enzimática. O pré-tratamento ácido-básico foi responsável pela hidrólise de 96,3% de hemicelulose e 49% de lignina. Depois de etapas de otimização das condições da hidrólise enzimática foi possível obter 64,9 g/L de glicose, com um rendimento de 63,5% de conversão da celulose presente no EFB pré-tratado em glicose. Estes resultados foram alcançados com 2,2% enzima Cellic CTec2, 15% de EFB pré-tratado e 39 h de hidrólise em banho-maria agitado a 50ºC e 100 rpm. O escalonamento das condições citadas gerou um hidrolisado com 72,2 g/L de glicose e 68,8% de conversão da celulose, um aumento de 11,2% da concentração de glicose no hidrolisado. Este hidrolisado foi utilizado na SHF para produção de etanol chegando-se a 16,6 g/L de glicose após 48 h. Com base nestes dados pode-se afirmar que o resíduo sólido (cachos de frutos vazios) da indústria brasileira de óleo de palma, conhecido como EFB, pode ser utilizado como matéria-prima para a produção de etanol celulósico de 2ª geração. Outros subprodutos gerados no pré-tratamento tais como, o hidrolisado da hemicelulose e da lignina solúvel, podem ser utilizados no contexto de uma biorrefinaria integrada. Palavras-chave: EFB, pré-tratamento, otimização da hidrólise enzimática, etanol de 2ª geração, biorrefinariaAbstract: This work was developed in the context of the project entitled "Biopal - Integrated Biorefineries to Sustainable Processing of Palm - Route Biological Activity", with the financial support of Vale S.A. The global project aims at the reuse of wastes from the processing of palm oil on an integrated process with applying the concept of biorefineries. The large scale production of second generation ethanol has some challenges to overcome. They are: to obtain a pure cellulose substrate without hemicellulose and lignin, to increase the efficiency of cellulose hydrolysis and the yield glycoside, to improve the fermentability of the hydrolyzate, and to reduce cost of the process to make the process economically viable. Lots of palm has been produced in Brazil and thus the generation of waste and its impact increases. One of the waste generated is the empty fruit bunches (EFB). The aim of this study was to optimize the conditions for enzymatic hydrolysis of EFB residue after physicochemical pretreatment to obtain a rich hydrolyzed into glucose, and subsequent fermentation, to production of bioethanol. For this, consecutive pretreatments were carried out: the acid with HCl (2.5%), and the basic with NaOH (5%), for the removal of hemicellulose and lignin, respectively, leaving the pulp more susceptible to enzymatic hydrolysis. Both treatments were conduced in an autoclave at 121ºC and 60 min. After the basic pretreatment, successive washes with deionized water were performed in the solid residue in order to remove inhibitors compounds, prior to enzymatic hydrolysis compounds. Optimizations of enzymatic hydrolysis conditions such as enzyme concentration, substrate concentration (EFB or crystalline cellulose Avicel), and reaction time, were performed using two different enzyme complex, one compound only by Cellic CTec2, and another by Celluclast 1.5L togheter with Novozymes 188. The production of cellulosic ethanol was performed by separate saccharification and fermentation (SHF), of the hydrolyzate obtained after sacaling the enzymatic hydrolysis of pretreated EFBs under optimized conditions. Through SEM analysis, it was observed that the pretreatment used was responsible for undermining the cellulose fibers, making them more accessible to enzymes. Furthermore, this silica was removed fron the fibers after pretreatment. After successive washings inhibitory compounds were removed from the fiber, both to improve enzymatic hydrolysis. The acid-basic pretreatment was responsible for the hydrolysis of 96.3% hemicellulose and 49% lignin. After the optimization steps of the conditions of enzymatic hydrolysis was possible to obtain 64.9 g/L of glucose, with a yield of 63.5% conversion of the cellulose present in the pretreated EFB in glucose. These results were achieved with 2.2% enzyme Cellic CTec2, 15% of EFB pretreated and 39 h of hydrolysis in stirred tank at 50º C and 100 rpm. The analysis of the conditions mentioned generated one hydrolyzate with 72.2 g/L glucose and 68.8% conversion of cellulose, a 11.2% increase in glucose concentration in the hydrolyzate. This hydrolyzate was used in the SHF for ethanol production reached to 16.6 g/L of glucose after 48 h. Based on these data it can be stated that the solid waste (EFB) of the Brazilian industry of palm oil, can be used as feedstock for 2nd generation ethanol production. Other byproducts generated during the pretreatment such as the hydrolyzate of hemicellulose and soluble lignin may be used in the context of an integrated biorefinery. Key-words: EFB, pretreatment, optimization of enzymatic hydrolysis, 2nd generation ethanol, biorefiner