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Tesis Doctoral
DOI
10.11606/T.97.2014.tde-07112014-155359
Documento
Autor
Nombre completo
Fernanda Machado Mendes Carvalho
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
Lorena, 2014
Director
Tribunal
Milagres, Adriane Maria Ferreira (Presidente)
Anna Filho, Celso Barbosa de Sant
Masarin, Fernando
Santos, Júlio César dos
Silva, João Paulo Alves
Título en portugués
Caracterização ultraestrutural e hidrólise enzimática de cana-de-açúcar e bagaço pré-tratado quimio-mecanicamente
Palabras clave en portugués
Cana-de-açúcar
Celulases
Microespectrofotometria de UV
Pré-tratamento sulfito-alcalino
Sacarificação
Resumen en portugués
O presente trabalho tem como objetivo estudar as modificações ocorridas na cana-de-açúcar, com diferentes composições químicas e estruturais, pelo pré-tratamento sulfito alcalino. A remoção de lignina e hemicelulose, bem como a introdução de grupos sulfônicos em cana-de-açúcar que ocorrem durante o pré-tratamento sulfito alcalino tornam mais fácil a hidrólise da celulose. A compreensão das modificações químicas e físicas em materiais lignocelulósicos que ocorrem durante este pré-tratamento é fundamental para a geração de processos mais eficazes. Neste trabalho, bagaço e entrenós de cana-de-açúcar, selecionados de plantas híbridas com composição química variada, foram pré-tratados em condições brandas com 10% de sulfito e 5% de hidróxido de sódio por diferentes tempos. No início do pré-tratamento, a deslignificação aumentou rapidamente, o mesmo não aconteceu com a hemicelulose. Nos primeiros 30 min de pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar houve remoção de 50% da lignina inicial e 30% da hemicelulose, o que ocasionou uma melhora significativa na conversão de celulose, atingindo 64%. Mesmo sem remoção adicional de lignina e hemicelulose, o processo continuou a introduzir os grupos ácidos, o que contribuiu para o inchamento da fibra. A largura da fibra do bagaço não tratado aumentou de 10,4 ?m para 30 ?m no material pré-tratado com 120 min. Estas modificações na fibra foram responsáveis pelo aumento na eficiência da hidrólise enzimática da celulose, a qual atingiu 92%. Híbridos experimentais com teores reduzidos de lignina apresentaram taxas iniciais de hidrólise mais elevadas e um menor tempo de pré-tratamento para alcançar a conversão total de celulose do que a cana de referência. Diferentes regiões (medula, interface, córtex e fração externa) dos entrenós das canas foram hidrolisadas por celulases. O pré-tratamento da interface, córtex e fração externa com sulfito-alcalino produziu substratos menos recalcitrantes com o aumento do tempo de reação e resultou na melhora da hidrólise enzimática. Foram utilizadas várias técnicas para avaliar as mudanças que ocorreram durante o pré-tratamento, as quais foram capazes de estudar a morfologia da superfície e as características químicas das amostras. O tratamento químico ocasionou uma intensa deslignificação e alterações morfológicas nas superfícies das fibras da cana-de-açúcar. A redução na absorção a 285 nm e 315 nm das paredes celulares das fibras, parênquima e dos vasos aumentou substancialmente os valores de conversão enzimática da celulose e da hemicelulose. Microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FE-SEM) revelou que as fibras da região do córtex e, especialmente, da interface mostrou paredes celulares colapsadas após a parcial deslignificação. Após o tratamento sulfito alcalino, os dados de espectroscopia fotoelétrica de raio-X (XPS) e espectrometria de massa de íons secundários por tempo de vôo (TOF-SIMS) apresentaram um aumento das intensidades dos sinais nas superfícies das fibras, os quais foram atribuídos à presença de carboidratos em algumas amostras. Em conformidade, os sinais de lignina diminuíram nas superfícies das fibras das mesmas amostras.
Título en inglés
Ultrasctructural characterization and enzymatic hydrolysis of chemomechanical pretreated sugarcane and sugarcane bagasse.
Palabras clave en inglés
Cellulases
Saccharification
Sugar cane
Sulfite-alkaline pretreatment
UV-microspectrophotometry
Resumen en inglés
The present work aims to study the changes occurring in sugar cane, with different in structure and chemical compositions, by sulfite-alkaline pre-treatment. Removing lignin and hemicellulose as well as introducing sulfonic groups in sugar cane pretreated with alkaline sulfite made cellulose hydrolysis easier. Understanding the chemical and physical alterations occurring during this pretreatment of lignocellulosic materials is fundamental for the generation of effective pretreatment methods. In the present work, sugarcane bagasse and also sugar cane internodes, selected from experimental hybrid plants, were pretreated with the alkaline-sulfite process under mild conditions with varied cooking times. The first 30 min of pretreatment of sugar cane bagasse, which removed approximately half of the initial lignin and 30% of hemicellulose seemed responsible for a significant enhancement of the cellulose conversion level, which reached 64%. After the first 30 min of pretreatment, delignification increased slightly and hemicellulose removal was not enhanced. However, the process continued to introduce acid groups into the residual lignin that enhanced the fiber swelling up to 120 min of cooking. The fiber widths increased from 10,4 ?m in the untreated bagasse to 30 ?m in the 120 min-pretreated material. These changes were responsible for an additional increase in the efficiency of enzymatic hydrolysis of the cellulose, which reached 92%. Experimental hybrids with less original lignin presented higher initial hydrolysis rates than reference sugar cane and required lower time of pretreatment to achieve the total cellulose conversion. Different regions (pith, interface, rind and outermost fraction) of the internodes of types of sugarcanes were hydrolyzed by cellulases. The pretreatment of the interface, rind and outermost fraction with alkaline sulfite produced less recalcitrant substrates with increasing reaction time and resulted in improvement enzymatic hydrolysis. Several techniques enabling the study of surface morphological and chemical characteristics were used to evaluate the changes occurring during the pretreatment step. The chemical treatment caused intense delignification and morphological changes on the sugar cane fiber surfaces. The reduction in the absorption at 285 nm and 315 nm of the cell walls of the fibers, parenchyma and vessel, substantially increased the values of enzymatic conversion of cellulose and hemicellulose. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) indicated that the fibers from rind regions and especially from the interface showed collapsed cell walls after partial delignification. After the alkaline sulfite treatment, X-ray photoelectrom spectroscopy (XPS) and time-of-flight-secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) data showed increased signal intensities on the fibers surfaces assigned to carbohydrates of some samples. In accordance, the lignin signals diminished on the fiber surfaces of the same samples.
 
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Fecha de Publicación
2014-11-07
 
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