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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.105.2020.tde-15072020-120228
Document
Author
Full name
Melissa Cristina do Espirito Santo
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2020
Supervisor
Committee
Polikarpov, Igor (President)
Labate, Carlos Alberto
Peixoto, Guilherme
Pellegrini, Vanessa de Oliveira Arnoldi
Title in Portuguese
Caracterização físico-química do bagaço de cana-de-açúcar após diversos pré-tratamentos visando melhorar o rendimento de hidrólise enzimática
Keywords in Portuguese
Bagaço de cana-de-açúcar
Pré-tratamento
Técnicas físicas
Abstract in Portuguese
No Brasil o emprego de resíduos sucroalcooleiros, como o bagaço da cana-de-açúcar, destaca-se como uma alternativa para ampliar a produção de etanol e reduzir as dependências com combustíveis fósseis. Os principais constituintes da parede celular desta biomassa são carboidratos que podem ser clivados em açúcares fermentescíveis via hidrólise enzimática. Para facilitar esta etapa e tornar o substrato acessível às enzimas, o material lignocelulósico deve ser submetido a um pré-tratamento, o qual irá influenciar as etapas subsequentes. No entanto é preciso investigar o efeito do pré-tratamento para melhor compreensão de como o mesmo irá afetar as etapas subsequentes. A utilização de diferentes técnicas físico-químicas auxilia no estudo de como a composição e estrutura da fibra está relacionada com a sacarificação enzimática. Assim, com o objetivo de contribuir neste estudo, foram empregados diferentes pré-tratamentos em diversas condições, sendo eles ácidos, hidrotérmico e explosão a vapor com e sem catalisadores externos, a fim de se compreender a sua atuação e influência no contexto de conversão glicosídica. Foi realizado a caracterização química por cromatografia líquida de alta eficiência e por ressonância magnética nuclear, além da hidrólise com diferentes cargas enzimáticas, utilizando Accelerase® suplementado com β-glicosidase, Cellic CTec e xilanase. Também foi realizado análise morfológica da biomassa, através de microscopia eletrônica de varredura e microscopia confocal. As análises físico-químicas revelaram a correlação entre o tempo de reação do pré-tratamento como proporcional ao efeito de desprendimento das fibras que constituem o bagaço, bem como a formação de aglomerados de lignina na superfície do mesmo. Também foi possível confirmar que há forte correlação entre a estrutura da lignina e a conversão enzimática, sendo que a mesma também é afetada pela presença de alto teor de derivados da hemicelulose, inibindo a ação de celulases. Por fim, por meio deste trabalho foi verificado que o fator de severidade não é suficientemente robusto para relacioná-lo com a eficiência do pré-tratamento aplicado.
Title in English
Physical-chemical characterization of sugarcane bagasse after several pretreatments aiming to improve enzymatic hydrolysis yield
Keywords in English
Physical techniques
Pre-treatment
Sugarcane bagasse
Abstract in English
In Brazil, the use of sugar and alcohol residues, such as sugarcane bagasse, stands out as an alternative to expand ethanol production and reduce dependencies on fossil fuels. The main constituents of the cell wall of this biomass are carbohydrates that can be cleaved into fermentable sugars via enzymatic hydrolysis. To facilitate this step and make the substrate accessible to enzymes, the lignocellulosic material must be subjected to a pretreatment, which will influence the subsequent steps. However, it is necessary to investigate the effect of the pre- treatment to better understand how it will affect the subsequent steps. The use of different physical-chemical techniques contributes to the study of how the composition and structure of the fiber is related to enzymatic saccharification. Thus, in order to contribute to this study, different pre-treatments were used in different conditions, acids, hydrothermal and steam explosion with and without external catalysts, in order to understand their performance and influence in the context of glycosidic conversion. Chemical characterization was performed by high performance liquid chromatography and nuclear magnetic resonance, in addition to hydrolysis with different enzyme charges, using Accelerase® supplemented with β-glycosidase, Cellic CTec and xylanase. Morphological analysis of biomass was also performed, using scanning electron microscopy and confocal microscopy. The physical-chemical analyzes revealed the correlation between the reaction time of the pretreatment as proportional to the effect of detachment of the fibers that make up the bagasse, as well as the formation of lignin clusters on its surface. It was also possible to confirm that there is a strong correlation between the structure of lignin and enzymatic conversion, and it is also affected by the presence of high content of hemicellulose derivatives, inhibiting the action of cellulases. Finally, through this work it was verified that the severity factor is not robust enough to relate it to the efficiency of the applied pretreatment.
 
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Publishing Date
2020-07-17
 
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