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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.75.2018.tde-10102018-170920
Documento
Autor
Nome completo
Beatriz Stangherlin Santucci
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Curvelo, Antonio Aprigio da Silva (Presidente)
Brienzo, Michel
Polikarpov, Igor
Silva Junior, Francides Gomes da
Zuin, Vânia Gomes
Título em português
Estudo dos efeitos dos tratamentos físico-mecânicos na hidrólise da celulose do bagaço de cana-de-açúcar
Palavras-chave em português
biomassa
refino
sacarificação enzimática
Resumo em português
Com o intuito de elucidar os efeitos das propriedades físicas e morfológicas na efetividade da sacarificação enzimática das fibras de bagaço de cana-de-açúcar, este trabalho propõe o uso de diferentes métodos de processamento físico-químicos e -mecânicos para a modificação da estrutura da parede celular. Os tratamentos físico-mecânicos, através de fenômenos de fibrilação e delaminação, promovem a abertura estrutural das fibras e aumentam a acessibilidade às enzimas hidrolíticas, porém sem modificar a composição química do material. Para uma compreensão abrangente da ação dos métodos físico-mecânicos propostos nas características estruturais, as fibras de bagaço foram previamente tratadas por métodos físico-químicos - hidrotérmico e organossolve - de modo a obter cinco materiais de diferentes composições químicas. O estudo dos tratamentos físico-mecânicos foi realizado empregando-se equipamentos de diferentes configurações, cujos modos de ação e consequente impacto nas fibras diferem entre si, sendo estes dois tipos de refino - refinador de discos Bauer e moinho Jokro, e um tipo de moagem - moinho criogênico. A variável do refino em moinho Jokro foi o tempo de tratamento, enquanto as variáveis do processamento em refinador de discos foi o tempo de refino e a distância entre os discos. Já as condições da moagem criogênica foram definidas de modo a obter amostras homogêneas do ponto de vista macroscópico. As modificações provocadas na estrutura das fibras foram determinadas a partir das análises das áreas superficiais externa (dimensões das fibras) e interna (porosidade da parede celular), além da organização cristalina das fibrilas celulósicas. Primeiramente, estudou-se de modo detalhado os efeitos dos métodos mecânicos nas propriedades estruturais das amostras de bagaço, interpretando-se como os efeitos primários do refino evoluem de acordo com a severidade e o tipo tratamento empregado a partir das caracterizações dos efeitos secundários. Posteriormente, confrontaram-se os resultados obtidos nas análises físicas e morfológicas com o rendimento de açúcares obtido na hidrólise enzimática. Os resultados permitiram constatar que, enquanto o moinho Jokro promoveu um grande aumento no rendimento de glicose obtido por culminar, simultaneamente, no aumento da estrutura capilar pela intensa fibrilação interna, e da área superficial externa tanto pela formação de elementos finos quanto pela redução das dimensões das fibras por corte, o refinador de discos Bauer levou a uma melhoria menos pronunciada na hidrolisabilidade por resultar no aumento da porosidade, porém sem expressivos corte e fibrilação externa das fibras. Diferentemente, a moagem criogênica promoveu apenas a drástica e heterogênea redução das dimensões das fibras, enquanto não permitiu mudanças significativas na hidrolisabilidade das amostras. Por fim, os valores dos parâmetros estruturais determinados foram analisados pelo método estatístico de componentes principais (PCA) visando quantificar por qual fator cada uma destas características influencia na extensão da hidrólise da celulose do bagaço. A PCA permitiu visualizar que os fatores relacionados à superfície interna da parede celular, como a área de poros acessíveis e a dimensão lateral do cristalito de celulose, são os principais aspectos que regem o rendimento de sacarificação da biomassa lignocelulósica. Os resultados deste estudo permitiram assim a proposta de um modelo de predição do comportamento de hidrólise das amostras de bagaço.
Título em inglês
Study of the effects of physico-mechanical treatments on sugarcane bagasse cellulose hydrolysis
Palavras-chave em inglês
biomass
enzymatic saccharification
refining
Resumo em inglês
In order to elucidate the effects of the physical and morphological properties on the effectiveness of enzymatic saccharification of sugarcane bagasse fibers, this work proposes different methods of physico-chemical and -mechanical processing to modify the cell wall structure. Through fibrillation and delamination phenomena, physico-mechanical treatments promote the structural opening of the fibers and increase the accessibility to hydrolytic enzymes, but without modifications on the chemical composition of the processed material. For a thorough comprehension about the action of the proposed physico-mechanical methods on the structural characteristics, the bagasse fibers were previously treated by physico-chemical methods - hydrothermal and organosolv - to obtain five materials with different chemical composition. The study of the physico-mechanical treatments was performed by equipment with different configuration, which operating modes and consequent impact on the fibers differ from each other. The equipment were two types of refiner - Bauer discs refiner and Jokro mill - and one type of mill - cryogenic mill. The refining variable considered for the Jokro mill was the refining time, while the processing variables for the disc refiner were the refining time and the discs gap. Concerning the cryogenic mill, the operation conditions were defined to achieve macroscopic homogeneous samples. Modifications on the fibers structure were assessed by analysis of the external and internal surfaces (fibers dimension and the cell wall porosity, respectively), as well as the crystalline organization of the cellulosic fibrils. Firstly, it was performed a thorough study concerning the effects of the mechanical methods in the structural properties of the bagasse samples. In this study, it was interpreted how the primary effects of refining evolve according to severity and type of treatment from the characterization of the secondary effects. Then, the results acquired in the physical and morphological analysis were confronted with the glucose yield obtained in the enzymatic hydrolysis. The results showed that the Jokro mill promoted a great increase in the glucose yield by culminating, simultaneously, in the increase of the capillary structure by the intense internal fibrillation, and of the external surface area both by the formation of fines as by the reduction of the dimensions of fibers by cutting. In turns, the Bauer discs refiner leaded to a lower improvement of the bagasse pulps hydrolysability, which was a consequence of the increased porosity, but without expressive cut and external fibrillation of the fibers. In a different way, the cryogenic milling promoted just a drastic and heterogeneous reduction of the fibers dimensions, without any significant change in the hydrolysability of the samples. Finally, the determined values of the structural parameters were analyzed by the statistical method of the principal component analysis (PCA), aiming to quantify by which factor each one of these characteristics influences in the extent of hydrolysis of bagasse cellulose. The PCA showed that the factors related to the internal surface of the cell wall, such as the accessible pore area and the lateral dimension of the cellulose crystallite, are the main aspects that govern the saccharification yield of the lignocellulosic biomass. The results of this study allowed the proposal of an empiric prediction model of the hydrolysis behavior of the bagasse samples.
 
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Data de Publicação
2018-10-16
 
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