Production of cellulosic sugars and bioethanol

Abstract

O sistema de produção atual baseia-se num fluxo linear de recursos insustentável, que conduz a problemas ambientais e compromete as gerações futuras. Conscientes desta problemática, os governos e outras entidades internacionais têm definido metas globais com o objetivo de acelerar a transição do uso de recursos fósseis para renováveis, ambicionando a neutralidade carbónica e promovendo o modelo de economia circular. Os biocombustíveis avançados são reconhecidos como uma fonte de energia renovável com potencial para garantir a segurança do aprovisionamento energético e permitir que o sector dos transportes cumpra as metas de descarbonização a médio prazo. Apesar de toda a investigação nesta área, a produção de etanol celulósico à escala industrial é praticamente negligenciável, principalmente devido aos elevados custos de investimento e de produção. Neste sentido, a integração desta abordagem no contexto de uma biorrefinaria multiproduto poderá ser a chave para aumentar a sua competitividade. A indústria de pasta e papel é um sector estratégico para ser convertido numa biorrefinaria de base florestal, tendo como vantagens competitivas o know-how, as infraestruturas existentes e operações logísticas já bem estabelecidas para lidar diariamente com elevado volume de resíduos florestais. A espécie Eucalyptus globulus é a mais utilizada no sector nacional de produção de pasta de papel, uma vez que as suas excelentes propriedades papeleiras resultam em produtos de qualidade premium. O descascamento da madeira é uma etapa essencial, uma vez que a casca tem um impacto negativo no rendimento do processo de cozimento, conduzindo a tempos de reação prolongados e comprometendo a qualidade da pasta. Assim, a casca de Eucalyptus globulus é um resíduo industrial abundante e é, na sua maioria, queimado para fins energéticos. No entanto, tem surgido um interesse crescente em converter a casca de eucalipto em produtos de maior valor acrescentado, no âmbito do modelo de negócio de economia circular de base florestal. A produção de açúcares celulósicos é uma via promissora para a valorização da casca de eucalipto, que pode ser convertida numa ampla gama de bioprodutos e biocombustíveis, nomeadamente bioetanol. A inexistência de etanol celulósico em Portugal é a força motriz para o enfoque nesta alternativa de valorização. Neste sentido, o principal objetivo desta tese de doutoramento consistiu em demonstrar a viabilidade técnica da produção de açúcares celulósicos e etanol a partir da casca de Eucalyptus globulus pré-tratada através do cozimento kraft. Neste sentido, foram avaliadas duas configurações distintas: a hidrólise e fermentação em separado e em simultâneo. Por um lado, a configuração separada permitiu valorizar com sucesso um dos principais subprodutos dos processos fermentativos, a biomassa pós-fermentação. A biomassa pós-fermentação mostrou ter potencial para ser reutilizada como inóculo em, pelo menos, onze ensaios de fermentação consecutivos. Além disso, o autolisado obtido a partir deste subproduto provou ser uma excelente alternativa à suplementação do meio de fermentação com extrato de levedura comercial. Por outro lado, a configuração integrada permitiu aumentar consideravelmente a produção de etanol celulósico e o desempenho global. Além disso, os custos associados às operações unitárias intermédias de preparação do hidrolisado são evitadas, uma vez que ambos os bioprocessos ocorrem em simultâneo no mesmo biorreator. Ambas as abordagens parecem ser promissoras, com potencial para reduzir custos e aumentar a competitividade, constituindo um novo paradigma para o sector da pasta e do papel.

The current production system is based on an unsustainable linear flow of resources, leading to environmental concerns and compromising future generations. Aware of these issues, governments and other international entities have set global targets to accelerate the transition from fossil to renewable resources, striving for carbon neutrality and promoting the circular economy model. Advanced biofuels are recognized as a renewable energy source, potentially ensuring energy supply security and enabling the transport sector to meet medium-term decarbonization targets. Despite all the studies in this research field, cellulosic ethanol production at an industrial scale is almost negligible, mainly due to the high investment and production costs. Therefore, integrating this approach into multi-product biorefineries may be the key to enhancing its competitiveness. The pulp and paper industry is a strategic sector to be converted into a forest-based biorefinery, taking advantage of know-how, existing infrastructures and well-established logistic operations to deal daily with a high volume of forest residues. Eucalyptus globulus species is the most widely used wood source in Portuguese pulp and paper mills since its excellent papermaking properties resulted in premium quality products. Debarking wood is an essential step since bark has a negative impact on the yield of the pulping process, leading to extended reaction times and compromising pulp quality. Thus, Eucalyptus globulus bark is an industrial residue widely available at the pulp site and is mainly burned for energy purposes. Nevertheless, there has been a growing interest in upgrading bark into value-added products within the forest-based circular economy business model. The production of cellulosic sugars is a promising pathway for upgrading bark, which can be converted into biochemicals and biofuels, namely bioethanol. The lack of cellulosic ethanol in Portugal is another driving force for focusing on this valorization pathway. This PhD thesis aims to provide relevant insights on technical feasibility regarding producing cellulosic sugars and ethanol from Eucalyptus globulus bark previously pretreated by kraft pulping. For this purpose, two approaches were evaluated: separate saccharification and fermentation (SHF) and simultaneous saccharification and fermentation (SSF). On the one hand, the separated setup allowed to successfully valorize one of the main by-products of the fermentative processes, the spent yeast. The spent yeast was shown to have the potential to be reused as inoculum in, at least, eleven consecutive fermentation experiments. Furthermore, the laboratorial autolysate from spent yeast proved to be an excellent alternative to commercial yeast extract supplementation. On the other hand, the integrated configuration allowed for a considerable increase in cellulosic ethanol production and overall performance. Moreover, the costs associated with intermediate unit operations to prepare the hydrolysate are avoided, since both bioprocesses occur simultaneously in the same bioreactor. Both approaches investigated may represent significant cost-savings and enhanced competitiveness, constituting a new paradigm for the pulp and paper sector.