Valorização do capim elefante por meio do tratamento ácido-alcalino : uma abordagem integrada para produção de etanol, xilitol e compostos fenólicos

Orientador: Prof. Dr. Joel Gustavo Teleken

Coorientadores: Prof. Dr. João Paulo Bender e Prof. Dr. Guilherme Martinez Mibielli

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor Palotina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Ambiental. Defesa : Palotina, 27/10/2023

Inclui referências

Resumo: Em uma biorrefinaria, busca-se aproveitar ao máximo todos os constituintes presentes nas matérias-primas, de forma a impulsionar a sustentabilidade e a economia circular. Diferentes biomassas já são utilizadas em biorrefinarias, no entanto, dependendo da cultivar escolhida, esta pode parar o processo de produção por um período devido à escassez desse insumo. Diante disso, é de suma importância buscar matérias-primas que sejam disponíveis durante todo o ano. O capim elefante é uma gramínea que possui um rápido crescimento e uma elevada produtividade em termos de matéria seca (35 ton/ha) e é resistente a pragas e a solos com baixos nutrientes, podendo ser plantando em todos os períodos do ano em diferentes condições climáticas. No entanto, apesar de suas propriedades serem relevantes, ainda são poucos os estudos que abordam o aproveitamento total dessa matéria-prima em cenários de biorrefinaria. À vista disso, o presente trabalho teve como objetivos (i) apresentar um possível cenário de biorrefinaria para o fracionamento dos constituintes de celulose, hemicelulose e lignina da biomassa de capim elefante por meio do emprego de tratamentos químicos e (ii) obter, a partir desses componentes, produtos de elevado valor agregado, como etanol, xilitol e compostos fenólicos. Primeiramente, foram investigados diferentes tipos de tratamentos químicos: ácido (ácido oxálico 5% m/v), alcalino (hidróxido de sódio 4% m/v) e combinado (ácido-alcalino ou alcalino-ácido). Após definir o melhor cenário de pré-tratamento, foi realizada uma aplicação tecnológica para cada fração lignocelulósica. A produção de xilitol e/ou etanol a partir do licor hemicelulósico foi obtida por meio da fermentação em condições reacionais ótimas por cinco linhagens de leveduras selvagens: CHAP-149, CHAP-155, CHAP-158, CHAP-204 e CHAP- 208c. A fração de lignina foi precipitada em meio ácido e caracterizada em termos do seu conteúdo fenólico total e atividade antioxidante, através do método de Folin-Ciocalteu e DPPH, respectivamente. Além disso, o perfil fenólico da lignina foi determinado a partir da análise em CLAE. Por fim, a celulose obtida foi sacarificada através da enzima celulase Cellic CTec2 e fermentada em condições reacionais ótimas por meio da levedura comercial Saccharomyces cerevisiae PE2. A partir do resultado dos tratamentos químicos, observou-se que o melhor cenário dentro do conceito de biorrefinaria é aquele no qual se realiza primeiramente uma extração ácida, com ácido oxálico 5% (m/v) seguido da extração alcalina, com hidróxido de sódio 4% (m/v). A partir desse tratamento, foi possível solubilizar 99,8% (m/m) da hemicelulose e 97,7% (m/m) da lignina, e, ainda, recuperar 60% (m/m) da celulose com um teor de pureza de 81,1%. O hidrolisado hemicelulósico proveniente do tratamento ácido possuía inicialmente concentrações de 15,2 g/L de xilose, no entanto, a partir da fermentação realizada por meio das leveduras selvagens foi possível determinar que concentrações de 5% (m/v) de ácido oxálico inibiram o metabolismo das leveduras através da elevada concentração de oxalato na solução, fazendo com que elas não produzissem etanol nem xilitol. A lignina recuperada da fração líquida do tratamento alcalino apresentou um valor de atividade antioxidante (IC50) de 0,20 mg/mL, sendo um resultado promissor frente ao encontrado em antioxidantes sintéticos como o hidroxitolueno butilado (BHT) (0,64 mg/mL). Por fim, a partir da fração de celulose, foi possível obter um licor com 46,91 g/L de glicose, o qual apresentou um rendimento em termos da produção de etanol de 0,42 getanol/gglicose (82% de eficiência fermentativa). A partir dos resultados obtidos, conclui-se que a biomassa de capim elefante pode ser utilizada como um insumo nas biorrefinarias, visto que possui um grande potencial na produção de diferentes produtos de elevado valor agregado, de forma a contribuir, portanto, na implementação da economia circular e da sustentabilidade

Abstract: In a biorefinery, the aim is to maximize the utilization of all constituents present in raw materials in order to promote sustainability and a circular economy. Different biomass sources are already used in biorefineries; however, depending on the chosen cultivar, the process may be halted for a period due to the scarcity of this input. Therefore, it is extremely important to seek raw materials available year-round. Elephant grass is a grass species characterized by rapid growth and high dry matter productivity (35 tons/ha). It is resistant to pests and can thrive in lownutrient soils, making it suitable for planting year-round under various climatic conditions. Despite its promising properties, there is still limited research on fully harnessing this raw material in biorefinery scenarios. Therefore, the present work aimed to (i) present a possible biorefinery scenario for the fractionation of cellulose, hemicellulose and lignin constituents from elephant grass biomass through the use of chemical treatments and (ii) obtain from of these compounds, high-value-added products such as ethanol, xylitol, and phenolic compounds. Different chemical treatments were initially investigated: acid (5% w/v oxalic acid), alkaline (4% w/v sodium hydroxide), and combined (acid-alkaline or alkaline-acid). Immediately after defining the best pre-treatment scenario, an application was carried out for each lignocellulosic fraction. Xylitol and/or ethanol production from hemicellulosic liquor was subjected to fermentation under optimal reaction conditions using five wild yeast strains: CHAP-149, CHAP-155, CHAP-158, CHAP-204, and CHAP-208c. The lignin fraction was precipitated under acidic conditions and characterized in terms of total phenolic content and antioxidant activity using the Folin-Ciocalteu and DPPH methods, respectively. Furthermore, the phenolic profile of lignin was determined through HPLC analysis. Finally, the cellulose obtained was saccharified using the Cellic CTec2 cellulase enzyme and fermented under optimal reaction conditions using the commercial yeast Saccharomyces cerevisiae PE2. Based on the results of the chemical treatments, the best scenario within the biorefinery concept involved an initial acid extraction with 5% (w/v) oxalic acid, followed by alkaline extraction with 4% (w/v) sodium hydroxide. This treatment solubilized 99.8% (w/w) of hemicellulose and 97.7% (w/w) of lignin while recovering 60% (w/w) of cellulose with a purity of 81.1%. The hemicellulosic hydrolysate initially contained 15.2 g/L of xylose; however, fermentation using wild yeasts revealed that oxalic acid concentrations of 5% (w/v) inhibited yeast metabolism through the high concentration of oxalate in the solution, meaning that they did not produce ethanol or xylitol. The recovered lignin from the alkaline treatment liquid fraction exhibited an antioxidant activity value (IC50) of 0.20 mg/mL, which is promising compared to that found in synthetic antioxidants such as BHT (0.64 mg/mL). Finally, a liquor containing 46.91 g/L of glucose from the cellulose fraction was obtained, yielding 0.42 g ethanol/g glucose (82% fermentative efficiency). In conclusion, elephant grass biomass can be utilized as a resource in biorefineries, given its significant potential in the production of various high-value-added products. This contributes to the implementation of a circular economy and sustainability initiatives