Otimização das etapas de pré tratamento alcalino com 2-hidróxi-1,4-naftoquinona e hidrólise enzimática para a produção de etanol de segunda geração

Abstract

O presente trabalho propõe a utilização de um novo mediador redox (2-hidróxi-1,4- naftoquinona (HNQ)) para promover ciclos de oxidação e redução, visando preservar as frações de carboidratos e aumentar a deslignificação, durante o pré-tratamento alcalino do bagaço de cana-de-açúcar, utilizando hidróxido de sódio. Para avaliar as condições operacionais do pré-tratamento soda-HNQ, foram gerados dois planejamentos experimentais: fatorial fracionado (2 5-1 , resolução V) e composto central (2 2 ). Os resultados mostraram que a carga de HNQ usada no pré-tratamento foi estatisticamente significativa (p < 0,05) para a preservação dos carboidratos (celulose e hemiceluloses) e deslignificação da biomassa. A condição experimental gerada pela ferramenta de desejabilidade (9,57 mL g -1 , 150 o C, 60 min), utilizada para avaliar o desempenho dos mediadores redox HNQ [0,4% (m m -1 )] e AQ (antraquinona) [0,493% (m m -1 )], permitiu obter polpas com grau de polimerização da celulose de 2033 e 1701, respectivamente. O pré-tratamento soda-HNQ do bagaço de cana resultou em uma solubilização de 22,2% e 34,7% menor das frações de celulose e hemiceluloses, respectivamente, comparado ao pré-tratamento soda-AQ. Os modelos de regressão, para os teores de celulose e hemiceluloses, apresentaram coeficiente de determinação (R 2 ) de 93,5 e 70,4%, respectivamente, indicando que apenas 6,5% e 29,6% da variabilidade não pôde ser explicada pelo modelo. O processo de otimização da etapa de hidrólise enzimática do bagaço pré-tratado soda-HNQ, utilizando batelada alimentada e adição de surfactante Tween 80 aos ensaios, permitiu atingir o máximo da produção de açúcares redutores totais (142,0 g L -1 ), com baixa carga de enzimas (3 FPU g -1 ) e alto teor de sólidos (15%). A fermentação do hidrolisado enzimático pelo consórcio CERLEV 47 + CERLEV 1015, resultou em uma produção máxima de etanol de 61,3 g L -1 . A estimativa de produção de etanol de segunda geração, a partir do processo desenvolvido, é de 244 kg etanol por tonelada de bagaço de cana-de-açúcar. Palavras-chave: 2-hidróxi-1,4-naftoquinona. Mediador redox. Pré-tratamento. Hidrólise enzimática. Fermentação. Etanol de segunda geração.

The present study proposes the use of a new redox mediator (2-hydroxy-1,4- naphthoquinone (HNQ)) to promote oxidation and reduction cycles in order to preserve carbohydrate fractions and increase delignification, during the alkaline delignification process by sodium hydroxide. To evaluate the operational conditions of the Soda-HNQ pretreatment, two experimental designs were generated: fractional factorial (2 5-1 , resolution V) and central composite (2 2 ). The results showed that the load of redox mediator HNQ was statistically significant (p < 0.05) for the preservation of carbohydrates (cellulose and hemicelluloses) and delignification of the biomass. The experimental condition generated by the desirability tool (9.57 mL g -1 , 150 o C, 60 min), evaluated for evaluation of the performance of redox catalysts HNQ [0.4% (m m -1 )] and anthraquinone [0.493% (m m -1 ) ], allowed to obtain a pulp with degree of polymerization of cellulose of 2033 and 1701, respectively. The comparison with anthraquinone revealed that the redox catalyst HNQ led to a lower solubilization of cellulose (22.2%) and hemicelluloses (34.7%), respectively. The regression models for the contents of cellulose and hemicelluloses showed coefficient of determination (R2) of 93.5 and 70.4%, respectively, which indicate that only 6.5% and 29.6% of the variability could not be explained by the model. The optimization of the enzymatic hydrolysis process led to a maximum production of total reducing sugars of 142.0 g L -1 , with low enzyme load (3 FPU g -1 ) and high content of solids (15%), through the use of the fed batch strategy and addition of surfactant Tween 80 to the tests. The fermentation of enzymatic hydrolysate resulted in the maximum ethanol production of 61.3 g L -1 by the CERLEV 47 + CERLEV 1015 consortium. The estimated production of 2G ethanol from the proposed technology is 244 kg of ethanol per ton of sugarcane bagasse. Keywords: 2-hydroxy-1,4-naphtoquinone. Second-generation ethanol. Enzymatic hydrolysis. Redox catalyst. Anthraquinone. Lawsone.