Saccharification of hemicellulose from sugar cane bagasse and its fermentation by pachysolen tannophilus

Orientador : Yong Kun ParkTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos e AgricolaResumo: A informação apresentada neste trabalho mostra os resultados da pesquisa na produção de glicose e xilose do bagaço de cana de açúcar e sua subsequente fermentação a -etanol peIa levedura PaehysoZen tannophiZus NRRL y-2460. O bagaço de cana de açúcar foi submetido a processos de pré-tratamentos com alcali e de explosão -autohidrólise antes da sua sacarificação enzimática e ácida com celulases do Triehoderma reesei QM 94Z4 e com solução 5% de H2S04, respectivamente. Quando o bagaço de cana de açúcar foi tratada a 2000C durante 4,0 minutos com uma relação água: bagaço de 8:1, o rendimento de extração da hemicelulose pelo pré-tratamento, com alcali, forneceu uma fração fermentecível a etanol. Após a neutralização da solução até pH 5,0, a hemicelulose foi recuperada do filtrado obtido no pré-tratamento com alcali por uma precipitação com álcool etilico (95%), seguido de um processo de deslignificação com etanol à 700C por 4 horas. Ambas frações de hemicelulose, do processo de explosão - autohidrólise (fração IV) e do pré-tratamento com alcali (fração 11) foram submetidos a uma hidrólise ácida e enzimática. A sacarificação foi inibida por substâncias de baixo peso molecular não voláteis, introduzidas pelo processo de explosão-autohidrólise do bagaço de cana de açúcar. Estas substâncias inibidoras foram eliminadas por um processo de diálise. A eficiência da sacarificação foi de 36-94%, depedendo da concentração de sólidos presentes no líquido de autohidrólise. O maior grau de sacarificação correspondeu a fração de hemicelulose obtida pelo pré-tratamento alcalino (fração II) seguida da fração de hemicelulose dialisada, obtida pelo processo de explosão-autohidrólise (fração IV). A levedura pachysoLen tannophiLus NRRL y-2460 foi capaz de transformar a D-xilose, D-glicose e ambos hidrolisados do bagaço de cana de açúcar obtidos de acordo ao indicado acima, a etanol, sob as condições de fermentação de 32oC, 200 rpm., e pH 2,5-3,0. Meios de cultura contendo urna concentração inicial de 24,5 9 de D-xilose/L, rendeu 0,158 9 de etanol/g de D-xilose consumida. Durante a fermentação alcoólica da D-glicose à concentração inicial de 21,5 9 de D-glicose/L, a produção de etanol foi 0,384 g/g de D-glicose consurnida. A fermentação aIcoólica dos hidrolisados enzirnáticosdas frações IV e II do bagaço de cana de açúcar, produziram 0,098 e 0,10 9 de etanol/ 9 de açúcar redutor consumidos resp~ctivamente. Os hidrolisados ácidos destas frações produziram muito pouco ou nada de etanol. Os baixos rendimentosde etanol foram o resultado das condições sub-ótimas de fermentação, principalmente à condição de aeração que favoreceu a formação de biomassaAbstract: The information presented in this work covers research findings on the pJ:ioduétii'on 'of glucose an xylose from sugar cane bagasse and the subsequentdirect fermentation of those sugars to obtain ethanol by the yeast PaahysoZentannophiZus NRRL y-2460. Sugar cane bagasse was subjected to heat explosion and alkali pre-treatments prior to enzymatic and acid saccharification with T~iahode~ma ~ee8ei QM 94Z4 cellulases and 5% H2S04 solution, respectively. When the sugar cane bagasse was. treated at 2009C for 4 minutes at a water-to-solids ratio of 8:1, the yield of hemicellulose extration was maximum. A sodium hydroxide extration yielded a hemicellulose fraction available for fermentation to ethanol. After the neutralization of the solution to pH 5.0, the hemicelulose was recovered from the liquid filtrates of the alkali pre-treatment, by ethylalcohol (95%) precipitation followed by deslignification with ethanol at 709C for 4 hours. Both hemicellulose fractions from the heat explosion (fraction IV) and alkali pre-treatments (fraction 11), were subjected to enzymatic and acid hydrolyses. The saccharification was inhibited by low molecular weight-non volatile substances, introduced by the heat explosion process of the sugar cane bagasse. Those inhibitory substances were eliminated by a dialyzed processo The saccharification efficie~cy was between 36 and 94%, depending of the solids concentration presen't in the auto-hydrolyzed liquido The highest degree of saccharification corresponded to the hemicellulose fraction obtained by the alkali pre-treatment (fraction lI), fo11owed by the dia1yzed hemice11u1ose rãction obtained from the heat exp1osion process (fraction IV) . The yeast PaahysoZen tannophiZus NRRL y-2460 was found to be capab1e of converting D-xilose, D-g1ucose and both enzymatic hydro1ysates from sugar cane bagasse, obtained by theOabove mentioned pre-treatments, to ethanol under the fermentation conditions of 32QC, 200 rpm and pH 2.5-3.0 Batch cu1ture initia11y containing 24.5 go of D-xylose/t, yie1ded 0.158 9 of ethanol/g of D-xylose consumed. During D-glucose fermentation at an initia1 concentration of. 21.5 9 of D-glucose/L the productti.on of ethanol of the enzymatic hydrolysates of the hemicel1ulose fraction of the sugar cane bagasse, gave 0.098 and 0.10 9 ethanol/g of reducing . sugars consumed for fractions IV and 11, respectively. Both acid hydrolysates of these fractions gave negligible quantities of ethanol. The low yield of ethanol obtained were the.result of the sub-optimal fermentation conditions, particularly the aeration condition through out the process which promote mainly biomass productionDoutoradoDoutor em Ciência de Alimento