Production second-generation ethanol from a cellulose derivative

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, 2015.O mundo se depara atualmente com a perspectiva de um significativo aumento na demanda por etanol. Para evitar que haja o limite da oferta ou a competição pelo uso da terra para a geração de energia e produção de alimentos, especialmente em locais que não dispõem de clima favorável ou extensão territorial para cultivo, torna-se necessário investir no desenvolvimento de tecnologias de segunda geração de produção de etanol. A produção de etanol a partir da biomassa lignocelulósica envolve quatro etapas: pré-tratamento para a remoção da lignina e hemiceluloses, hidrólise da celulose, fermentação da glicose e destilação. Devido ineficiência dos pré-tratamentos e alto grau de cristalinidade da celulose, o rendimento líquido da conversão desse polímero em glicose tem sido um dos grandes desafios na busca por uma tecnologia que viabilize o processo de hidrólise para torná-lo mais competitivo. Dessa forma, o objetivo desse trabalho foi desenvolver tecnologia para a produção de etanol de segunda geração, utilizando como matéria-prima o filtro de cigarro, que é constituído essencialmente por um derivado de celulose obtido do descarte da indústria de cigarro, o acetato de celulose, e dessa forma verificar a influência da substituição dos grupos OH na melhoria do acesso e reatividade da celulose. Os materiais foram analisados pelas técnicas: CHN, DRX, TGA, DSC, FTIR. Os difratogramas de raios X dos materiais mostraram uma grande diferença entre as cristalinidades da celulose e acetato de celulose. As reações de hidrólise foram realizadas em autoclave, à temperatura de 120 °C, variando-se a concentração de H2SO4 e o tempo de reação. A quantificação da glicose foi feita a 505 nm no espectrofotômetro UV-vis, através de teste enzimático colorimétrico utilizando um reagente específico. A composição dos hidrolisados foi analisada por HPLC (high performance liquid chromatography). O rendimento máximo em glicose, 92,3%, foi alcançado para a hidrólise do acetato de celulose em solução de H2SO4, 5%, por 180 minutos. Os testes de fermentação do hidrolisado com o maior teor de glicose foram realizados em biorreator tipo INFORS HT Multifors 2 Cell utilizando YNB e hidrolisado na proporção de 1/1, os quais foram mantidos sob agitação de 200 rpm, temperatura de 30 °C e sem aeração por 25 horas. Como agente fermentador foi utilizada a levedura Saccharomyces cerevisiae. O consumo de glicose e a produção de etanol foram quantificados durante a fermentação a partir de coletas de amostras do meio em intervalos de 2 horas e posterior análise por HPLC. A taxa de conversão da glicose em etanol foi 0,50 g/g e a eficiência da fermentação atingiu valores próximos de 100%. Os resultados encontrados foram extremamente importantes e esse estudo apontou novos caminhos para a hidrólise ácida com base na modificação química da celulose.The world is currently faced with the prospect of a significant increase in demand for ethanol. To avoid having the limit of the offer or competition for land use for energy generation and food production, especially in locations that lack the favorable climate or land area for cultivation, it is necessary to invest in the development of technologies second generation production of ethanol. The production of ethanol from lignocellulosic biomass involves four stages: pre-treatment for the removal of lignin and hemicellulose, hydrolysis of cellulose, glucose fermentation and distillation. Due inefficiency of pre-treatment and high degree of crystallinity of cellulose, the net income from the conversion of glucose polymer has been a major challenge in the search for a technology that enables the hydrolysis process to make it more competitive. Thus, the objective of this work was to develop technologie for second generation ethanol production, using as raw material the cigarette filter, which consists essentially of a derivative of cellulose obtained by discarding the cigarette industry, cellulose acetate, and thereby determine the influence of replacement of OH groups in improving access and reactivity of cellulose. The materials were analyzed by techniques: CHN, XRD, TGA, DSC, FTIR. The diffractograms ray-X of the materials showed a large difference between the crystallinities of cellulose and cellulose acetate. The hydrolysis reactions were performed in an autoclave at a temperature of 120 °C by varying the concentration of H2SO4 and the reaction time. Quantification of glucose was carried out at 505 nm UVvis spectrophotometer, using enzymatic colorimetric test using a specific reagent. The composition of the hydrolysates were analyzed by HPLC (high performance liquid chromatography). The maximum yield of glucose, 92.3% was achieved for the hydrolysis of the cellulose acetate solution of H2SO4, 5%, for 180 minutes. The hydrolyzate fermentation tests with the highest glucose content were performed in a bioreactor type INFORS HT Multifors 2 Cell using YNB and hydrolyzed in the ratio of 1/1, were kept under stirring at 200 rpm, temperature of 30 °C and without aeration for 25 hours. As fermenting agent used was Saccharomyces cerevisiae. The glucose consumption and ethanol production were quantified during fermentation from the sample collection means at intervals of 2 hours and subsequent HPLC analysis. The rate of conversion of glucose into ethanol was 0.50 g / g and the efficiency fermentation eached values close to 100%. The results were extremely important and this study found new ways to acid hydrolysis based on the chemical modification of cellulose