Evaluation of different configurations of enzymatic hydrolysis and fermentation using sugarcane bagasse for 2G ethanol production

Sugarcane bagasse (SCB) is a by-product generated after sugarcane milling in the process of manufacture of sugar and/or ethanol. In this study, pretreated SCB was used in different configurations of enzymatic hydrolysis and fermentation. The objective was obtaining the greatest amounts of fermentable sugars in the enzymatic conversion and then converted them to ethanol. SCB was hydrothermally pretreated (1:10 (w/v), solid-liquid ratio) under the conditions 170 °C/15 min, 195°C/10 min, and 195 °C/60 min at 200 rpm. The delignification step of the hydrothermal pretreated SCB was carried out with 0.02 and 0.5% NaOH solution at 1:10 (w/v). Pretreated and untreated samples of SCB were chemical and morphologically characterized. Enzymatic hydrolysis and fermentation assays were carried out in PSSF (pre-saccharification prior to simultaneous saccharification and fermentation) process. In the best condition, (10% pretreated SCB at 195 °C/10 min) it was obtained 57.4% of ethanol yield. SSF (simultaneous saccharification and fermentation) experiments were performed in Erlenmeyer flasks at 250 rpm and at 37 °C using commercial Saccharomyces cerevisiae during 72 h. In the first assay, it was evaluated the effect of initial buffered medium and non-buffered medium for hydrothermal pretreated SCBs. In the best result, it was obtained 53.8% of enzymatic conversion and an ethanol titer of 17.1 g/L (SCB pretreated at 195 °C/10 min in buffered medium). In the next assays, it was evaluated the effect of solid loading (10 and 15%) on delignified and non-delignified SCB using an enzyme loading of 20 FPU/g pretreated SCB. In these assays were obtained ethanol yields of 53.8 (17.1 g/L) and 60.0% (28.4 g/L) for 10 and 15% of SCB, respectively. These results showed that the increased in solid loading favored obtaining higher ethanol yield. Assays in SHF configuration (separate hydrolysis and fermentation) using delignified and non-delignified samples of SCB achieve ethanol concentration of 39.9 g/L and ethanol yield was 84% with 15% loading at 72 h. Other experiments were carried out in 10% SCB/15 FPU/g SCB loading, 10% SCB/30 FPU/g SCB loading, 15% SCB/15 FPU/g SCB loading and 15% SCB/30 FPU/g SCB loading employing the thermotolerant yeasts Kluyveromyces marxianus IMB3 and Saccharomyces cerevisiae D5A to ethanol production from hydrothermal pretreated SCB. The results showed enzymatic conversion was 64.3% and maximum ethanol concentration of 29.2 g/L using 15% of SCB at 72 h. D5A yeast showed ethanol yield was 76.2% and the maximum ethanol concentration of 42.6 g/L at 120 h using 15% of solid load and 30 FPU/g SCB of enzyme load. Overall, all evaluated conditions showing satisfactory results in obtaining ethanol from hydrothermal pretreated SCB. However, high concentration of substrate loading favored SHF process to operate separately enzymatic hydrolysis and fermentation. This configuration achieved high ethanol yields in the conditions assessed in this work.Universidade Federal de Sao CarlosO bagaço de cana-de-açúcar (BCA) é um subproduto gerado após a moagem da cana-deaçúcar no processo de produção de açúcar e/ou etanol. No presente trabalho, o BCA pré-tratado foi utilizado em diferentes configurações de hidrólise enzimática e fermentação com o objetivo de obter a maior quantidade de açúcares fermentescíveis na sacarificação e convertê-los a etanol. O BCA foi pré-tratado hidrotermicamente na proporção 1:10 (m/v) nas condições 170 °C/15 min, 195 °C/10 min e 195 °C/60 min com agitação de 200 rpm. A etapa de deslignificação do BCA prétratado hidrotermicamente foi realizada com 0,02 e 0,5% de solução de NaOH na proporção 1:10 (m/v). Amostras de BCA pré-tratada e não tratada foram caracterizadas quimicamente e morfologicamente. Os primeiros ensaios de hidrólise enzimática e fermentação foram realizados na configuração PSSF (pré-sacarificação e fermentação simultâneas). Na melhor condição (10% de BCA tratado a 195 °C/10 min) foi obtido rendimento em etanol de 57,5%. Os experimentos de SSF (sacarificação e fermentação simultâneas) foram realizados em frascos de Erlenmeyers com agitação de 250 rpm a 37 °C com levedura Saccharomyces cerevisiae comercial por 72 h. Nos primeiros ensaios avaliou-se o efeito do meio inicial tamponado e não tamponado para os BCAs pré-tratados hidrotermicamente. No melhor resultado obteve-se 53,8% de conversão enzimática e concentração de etanol de 17,1 g/L (BCA tratado a 195 °C/10 min em meio tamponado. Nos ensaios seguintes, avaliou-se o efeito da carga de sólidos (10 e 15%) para amostras de BCA deslignificada e não deslignificada utilizando carga enzimática de 20 FPU/g BCA tratado. Nesses ensaios obteve-se máximos rendimentos em etanol de 53,8 e 60,0% e concentrações de etanol 17,1 e 28,4 g/L com 10 e 15% de BCA, respectivamente. Esses resultados mostraram que o aumento na carga de sólidos favoreceu o aumento no rendimento em etanol. Nos ensaios em configuração SHF (sacarificação e fermentação separadas) utilizando amostras de BCA deslignificada e não deslignificada obteve-se concentração de etanol de 39,9 g/L e rendimento em etanol de 84,0% com 15% de sólidos em 72 h. Ensaios nas configurações 10% BCA/15 FPU/g BCA tratado, 10% BCA/30 FPU/g BCA tratado, 15% BCA/15 FPU/g BCA tratado e 15% BCA/30 FPU/g BCA tratado foram realizados empregando as leveduras Kluyveromyces marxianus IMB3 e Saccharomyces cerevisiae D5A na produção de etanol a partir do BCA pré-tratado hidrotermicamente. Os resultados mostraram conversão enzimática de 64,3% e concentração máxima de etanol de 29,2 g/L utilizando 15% de sólidos em 72 h para IMB3. Para a levedura D5A obteve-se rendimento em etanol de 76,2% e a máxima concentração de etanol de 42,6 g/L em 120 h utilizando 15% de sólidos e 30 FPU/g BCA tratado. De modo geral, todas as condições avaliadas apresentaram resultados satisfatórios na obtenção de etanol a partir do BCA pré-tratado hidrotermicamente. Entretanto, cargas de substrato maiores favoreceram a configuração SHF por operar separadamente a hidrólise enzimática e a fermentação alcançando maiores rendimento em etanol nas condições avaliadas nesse trabalho