Integrated study of pretreatment and enzymatic hydrolysis steps of sugarcane straw

The use of lignocellulosic biomass for ethanol production, such as, the sugarcane straw, suggests that additional steps should be included aiming the sugars release, that will be converted to ethanol via fermentative route. In this way, it is essential to conduct a pretreatment step, to disrupt partially the recalcitrant structure, increasing cellulose accessibility to hydrolysis by cellulases. This work aims the study of pretreatment and enzymatic hydrolysis strategies of sugarcane straw. The goal is evaluate the best configuration to bioethanol production, taking into account key factors correlated to these two steps. Firstly, the hydrothermal pretreatment (HPT) was conducted in a straw/water ratio of 1:5 to 1:20 (w/v), at 195°C, 10 min and 200 rpm. HPT was followed by alkaline pretreatment (APT, H2O2 1% v/v, pH 11.5). An experimental design (variables: ratio of wdry straw /vwater during the HPT and temperature during the APT) was performed to choice and optimization of the operational conditions. On enzymatic hydrolysis step, 20 FPU/gcellulose and 15% (w/v) of solid loading were applied. The experimental design responses were: cellulose content and cellulose-to-glucose conversion. It was observed that the enzymatic hydrolysis was not improved after the alkaline pretreatment. Thus, taking into account the high efficience of the hydrothermal pretreatment identified in this study, operational costs concerning the alkaline step can be eliminated. In a study concerning HPT mathematical modeling, the assays were conducted applying 10% (w/v) of solid loading and by vary the temperature (180 a 210°C) and time of reaction (0 to 40 min), aiming the identification, from a proposed kinetic model, the optimal temperature and time regarding to sugars degradation and inhibitors formation. At 195 °C/15 min, the pretreatment reached 85% of hemicellulose removal. This condition promoted a little degradation of cellulosic fraction, only 21%. The models proposed in this work can be utilized for engineering studies, including technical and economic feasibility analysis of 2G ethanol production. In addition to the studies developed in this thesis, enzymatic hydrolysis assays were performed in stirred tank reactors, with a reaction volume of 50-mL, applying solids loading of 10, 20, and 30% (w/v), in batch and fed-batch modes. Experiments were conducted in 3-L working volume, under different feeding strategies of substrate/enzyme (fed-batch), reaching 30% (w/v) of solids loading. The assays showed that as the solids loading increases, a decrease in the cellulose-to-glucose conversion is observed. The experiments conducted in fed-batch mode showed high performance when compared with those performed in batch mode. An increase of 3.4 (10% w/v); 9.2 (20% w/v) and 19.8 % (30% w/v) in the cellulose-to-glucose conversion was obtained, taking into account the assays performed in fed-batch mode. Concerning the assays conducted in 3-L working volume, the results showed that the best condition was the one where the feeding profile was smoother (lower solid concentration added in each feed time, but more substrate additions). Both the power consumption per unit volume and the rheology presented lower values to the condition where the feeding profile was smoother. This behavior indicates that this operational mode is more suitable from process point of view, reaching results industrially feasible in terms of glucose content and the energy consumption.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)A utilização das biomassas lignocelulósicas para a produção de etanol, como a palha de cana-de-açúcar, pressupõe que etapas adicionais sejam acrescentadas ao processo para obtenção dos açúcares que serão convertidos a etanol via rota fermentativa. Sendo assim, torna-se imprescindível a realização de um pré-tratamento, que irá alterar essa estrutura, tornando-a mais acessível e suscetível à próxima etapa, a hidrólise enzimática. Esse trabalho visou ao estudo de estratégias de pré-tratamento e hidrólise enzimática da palha de cana-de-açúcar, com o objetivo de avaliar a melhor configuração para produção de bioetanol, levando-se em conta fatores chave associados a essas duas etapas. Inicialmente, realizou-se pré-tratamento hidrotérmico (PTH) utilizando-se razões palha/água de 1:5 a 1:20 m/v, a 195°C, 200 rpm por 10 min. Sequencialmente ao PTH, ensaios de deslignificação em solução alcalina de peróxido de hidrogênio (PTA) foram realizados (H2O2 1% v/v, pH 11,5). Um planejamento experimental (fatores: razão mpalha seca/vágua no PTH e temperatura no PTA) foi realizado para escolha e otimização das condições operacionais. Na etapa de hidrólise enzimática utilizou-se 20 FPU/gcelulose e 15% m/v de sólidos. As variáveis-resposta do planejamento experimental foram o teor de celulose e conversão de celulose em glicose. Foi possível constatar que a hidrólise enzimática não foi melhorada após o pré-tratamento alcalino. Logo, diante da elevada eficiência do pré-tratamento hidrotérmico identificada no estudo, custos operacionais concernentes à etapa alcalina podem ser descartados. Na modelagem matemática do PTH, os ensaios foram conduzidos fixando-se a carga de sólidos em 10% m/v, variando-se a temperatura de 180 a 210°C e o tempo reacional (0 a 40 min), com o intuito de identificar, a temperatura e o tempo ótimos com relação à degradação dos açúcares e formação de inibidores. A 195°C/15 min, 85% de remoção de hemicelulose e 21% de remoção de celulose foram alcançadas. Os modelos apresentados podem ser utilizados em estudos de engenharia, incluindo análises de viabilidade técnica e econômica da produção de etanol de segunda geração. Ensaios de hidrólise enzimática foram realizados em volume reacional de 50 mL, empregando-se cargas de sólidos de 10 a 30% m/v, em batelada e batelada alimentada. Um escalonamento foi realizado para um volume de 3-L, empregando-se diferentes estratégias de alimentação de substrato/enzima (batelada alimentada), de forma a atingir carga de sólidos final de 30% m/v. Os ensaios mostraram que à medida que a carga de sólidos se eleva, a conversão de celulose em glicose diminui. Os experimentos conduzidos em batelada alimentada demonstraram melhor desempenho quando comparados aos ensaios em batelada. Aumentos de 3,4 (10% m/v); 9,2 (20% m/v) e 19,8 % (30% m/v) na conversão de celulose em glicose foram obtidos, considerando os ensaios realizados em batelada alimentada. Nos ensaios conduzidos em volume de 3L, os resultados mostraram que a melhor condição empregada foi aquela com menor concentração de sólidos adicionada a cada alimentação com maior número de adições de substrato. O consumo de potência por unidade de volume e a reologia do meio reacional apresentaram valores baixos para a condição onde o perfil de alimentação foi mais distribuído ao longo do tempo, indicando que esse modo de operação é adequado do ponto de vista de processo, alcançando resultados factíveis industrialmente em termos de concentração de glicose e consumo de energia