Produção de bioetanol celulósico a partir de casca de eucalipto proveniente da indústria papeleira nacional

Abstract

Verifica-se atualmente que a crise energética levou ao aumento do interesse mundial por alternativas renováveis aos combustíveis fósseis, particularmente nos países em desenvolvimento que dependem da sua importação. Uma alternativa promissora e ecológica é o recurso aos biocombustíveis de fonte renovável, em particular o bioetanol.Neste âmbito, o presente trabalho foca a produção de bioetanol de segunda geração a partir de biomassa lenhocelulósica. Utilizaram-se amostras de resíduos da indústria papeleira, nomeadamente casca de eucalipto, pré-tratadas através de metodologias distintas: i) explosão de vapor (E), ii) explosão de vapor e organosolv (EO) e iii) cozimento kraft, fornecidas pelo RAZ. Foram estudadas diferentes estratégias para a produção de bioetanol, incluindo hidrólise e fermentação separadas (SHF – Separate Hydrolysis and Fermentation) e simultâneas (SSF – Simultaneous Saccharification and Fermentation). Na estratégia SSF, usou-se o complexo enzimático Cellic® CTec2 para hidrolisar os polissacarídeos existentes nas amostras pré-tratadas em monossacarídeos fermentáveis e a levedura Saccharomyces cerevisiae (ATCC® 26602TM) para converter esses açúcares simples em etanol. O SHF foi realizado com hidrolisados enzimáticos fornecidos (obtidos a partir das mesmas amostras de casca pré-tratadas) e utilizou-se a S. cerevisiae (ATCC® 26602TM) para a sua fermentação. Nos ensaios realizados estudaram-se: i) o aumento da consistência (6, 9, 15 e 20%), ii) o aumento da carga enzimática (20 e 40 FPU/gMS), iii) o modo de operação (batch e fed-batch), iv) o sistema de agitação (orbital e mecânico), v) o tipo de impulsor na agitação mecânica e vi) o aumento do volume de trabalho. Para este conjunto de testes e de um modo geral verificou-se que a fermentação dos hidrolisados fornecidos (SHF) conduz a uma menor concentração de etanol e produtividade, comparativamente aos ensaios SSF. Para os materiais E e EO, e no SSF, obteve-se, respetivamente, uma concentração máxima de etanol de 20.4 e 14.7 g/L. Conclui-se que a aplicação do organosolv não trouze benefício para a produção de etanol, apesar do material EO apresentar menor teor de lenhina. Relativamente ao material proveniente do cozimento kraft, verificou-se que quanto menor o teor de lenhina e maior for a consistência, maior é a concentração de etanol resultante da fermentação (SSF), atingindo-se 78.9 g/L (teor de lenhina 2.5%) e 61.1 g/L (teor de lenhina 6.5%) com uma consistência de 20% de casca de eucalipto pré-tratada, em operação fed-batch. Constatou-se também que a agitação mecânica melhora a produção de etanol. Verificou-se que a seleção do impulsor influencia o processo de produção, obtendo-se uma concentração de etanol de 29,7 e 30,4 g/L no SSF com o impulsor ribbon de duas fitas helicoidais, com uma consistência de 9% e volume de 350 e 1 225 mL, respetivamente. A produção de etanol de segunda geração através de bioprocessos integrados revela um grande potencial, tendo sido confirmado o aumento da produção de etanol em relação aos bioprocessos separados, também com o aumento da escala de produção.

Over the past few years, the energy crisis has led to an increased global interest in fuel alternatives, especially in developing countries that depend on their importation. A promising and green alternative is the exploitation of biofuels produced from a renewable energy source, in particular, second generation bioethanol production.In this context, ethanol production was carried out with pretreated residual lignocellulosic biomass from the pulp and paper industry (eucalypt barks). Bark samples were pretreated by different methodologies: i) steam explosion (E), ii) steam explosion and organosolv (EO) and iii) kraft cooking and supplied by RAIZ. Different strategies have been studied for bioethanol production, including separate (SHF) and simultaneous (SSF) hydrolysis and fermentation. The SSF process was performed with both cellulase enzyme complex Cellic® CTec2 and Saccharomyces cerevisiae (ATCC® 26602TM) yeast. SHF was performed with supplied enzymatic hydrolysates (previously obtained by the same bark pretreated samples) and S. cerevisiae (ATCC® 26602TM) was used in the fermentation stage. In the experiments, several variables were studied: i) the increase of the consistency (6, 9, 15 and 20%), ii) the increase of the enzymatic load (20 and 40 FPU per gram of dry pretreated bark, DM), iii) batch and fed-batch operation, iv) agitation system (orbital and mechanical), v) the type of impeller (in the mechanical stirring) and iv) the increase of the mixture volume. In general, it was found that the fermentation of the supplied enzymatic hydrolysates (SHF) showed lower ethanol concentration and productivity compared to SSF assays. For the E and EO materials, a maximum ethanol concentration of 20.4 and 14.7 g/L was obtained in the SSF, respectively. It is concluded that the orgonosolv application after steam explosion does not benefit ethanol production, although the EO material has lower lignin content. Regarding the material from kraft cooking, it was observed that the lower the lignin content and the higher the consistency, the higher the ethanol concentration, reaching 78.9 (2.5 w% lignin content) and 61.1 g/L (6.5 w% lignin content) with a consistency of 20 % (w/w) and fed-batch mode of operation. Finally, the introduction of mechanical agitation has been found to improve ethanol production, as well as the impeller used, achieving an ethanol concentration of 29.7 and 30.4 g/L with the two-helix ribbon impeller, with a consistency of 20 w% and for a volume of 350 and 1225 mL respectively.In short, the production of second-generation ethanol through integrated bioprocesses reveals great potential as it has been possible to increase ethanol production and its production scale.