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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.97.2018.tde-07082018-154628
Document
Author
Full name
Felipe Andres Montoya Reinoso
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Lorena, 2017
Supervisor
Committee
Milagres, Adriane Maria Ferreira (President)
Anna Filho, Celso Barbosa de Sant
Ferraz, André Luis
Brienzo, Michel
Santos, Júlio César dos
Title in Portuguese
Caracterização físico-química do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado com sulfito alcalino, extração enzimática da hemicelulose e sacarificação dos polissacarídeos residuais
Keywords in Portuguese
Arabinose
Padrão de substituição
Pré-tratamento quimio-termomecânico
Xilana
Xilanase
Abstract in Portuguese
No presente trabalho o bagaço de cana-de-açúcar foi pré-tratado quimiotermomecanicamente (QTM) com três concentrações de solução sulfito alcalino (g/100 g de bagaço): 2,5% Na2SO3 e 1,25% NaOH (QTM2,5%); 5% Na2SO3 e 2,5% NaOH (QTM5%), 10% Na2SO3 e 5% NaOH (QTM10%), e posteriormente refinado num refinador de discos, visando incrementar a acessibilidade da parede celular para extrair enzimaticamente as hemiceluloses. O bagaço também foi pré-tratado com clorito ácido por 2 horas (D2) e 4 horas (D4), para gerar um substrato modelo com baixo teor de lignina. A composição original do bagaço de cana-de-açúcar foi de 32,3% de celulose, 28,5% de hemicelulose e 22,0% de lignina (g/100 g de bagaço original). Depois de pré-tratados, as remoções de lignina foram de 18%; 31% e 48% para os bagaços QTM2,5%, QTM5% e QTM10%, respectivamente. Parte das hemiceluloses foi removida, em níveis de 22% para os bagaços QTM2,5% e QTM5% e 17% para o QTM10%. O pré-tratamento clorito ácido removeu lignina em níveis de 55% e 75% para os bagaços D2 e D4, respectivamente; e 10% da hemicelulose no bagaço D4. As hemiceluloses de todos os bagaços pré-tratados foram extraídas com 3 diferentes preparados de endo-xilanases comerciais, usando 20UI/g de bagaço, em pH=8.0 (tampão fosfato 50 mM), 50°C e uma relação sólido:líquido de 1:20. Após 24h de reação, a xilanase Luminase apresentou os melhores rendimentos de extração de xilana com valores de: 4%, 7% e 32% para os bagaços QTM2,5%, QTM5% e QTM10%, respectivamente; e de: 34% e 55% para os bagaços D2 e D4, respectivamente. A extração se correlacionou linearmente com a remoção de lignina (R2=0,97) e ácidos hidroxicinâmicos (R2=0,88 para ácido ferúlico; R2=0,80 para ácido p-coumárico), e com o aumento da área superficial accessível de celulose (R2=0,95). Não foi observada a produção de açúcares monoméricos nas xilanas extraídas. Aumentando a carga enzimática em 20 vezes (100 UI) no bagaço QTM10% e em 12 vezes (60 UI) no bagaço D4 a extração da xilana aumentou 29% e 21%, respectivamente, sugerindo que além da lignina e ácidos hidroxicinâmicos, existem outros impedimentos a extração. O bagaço QTM10% foi extraído sequencialmente duas vezes com 100UI de Luminase por grama de bagaço, e posteriormente sacarificado com celulases comerciais. Os resultados mostraram que primeiro são extraídas as xilanas mais substituídas com arabinose e que a extração da xilana favorece a sacarificação da celulose residual, quando comparado com um material simplesmente pré-tratado. Entretanto, para aceder a toda a xilana do bagaço, é necessário hidrolisar parte da celulose, indicando que o pré-tratamento QTM10% não consegue quebrar por completo a alta interação celulose-hemicelulose. A pré-incubação do bagaço QTM10% por 8h com endoglucanase, seguida da reação com xilanase por 24h, aumentou a extração de xilana em 17,6%. As xilanas extraídas podem ser recuperadas por precipitação com etanol. Análises de ressonância magnética nuclear mostraram que a xilana extraída corresponde a glucurono-arabinoxilana, sendo detectados também ácido pcoumárico, baixas quantidades de lignina e proteínas, derivados do processo de extração.
Title in English
Physicochemical characterization of alkaline-sulfite pretreated sugarcane bagasse, enzymatic hemicellulose extraction and saccharification of residual polysaccharides
Keywords in English
Arabinose
Chemithermomechanicall pretreatment
Substitution pattern
Xylan
Xylanases
Abstract in English
In the present work, the sugarcane bagasse was pretreated with a chemithermomechanically (CTM) process using three concentrations alkaline-sulfite solution (g/100 g of bagasse): 2,5% Na2SO3 e 1,25% NaOH (QTM2,5%); 5% Na2SO3 e 2,5% NaOH (QTM5%), 10% Na2SO3 e 5% NaOH (QTM2,5%), and disk refining with the aim of increasing cell wall accessibility for subsequent extraction of the hemicellulose fraction. Besides, bagasse was delignified with acidic sodium chlorite for 2 hours (D2) and 4 hours (D4), to produce a model with low lignin content. The original composition of sugarcane bagasse was 38.3% of cellulose, 28.5% of hemicellulose and 22.0% of lignin (g/100 g of original bagasse). After pretreatment, the lignin removal were 18%; 31% e 48% for the bagasse CTM2,5%, CTM5% e CTM10%, respectively. A part of the hemicellulose was removed at levels of 22% for the bagasse CTM2,5%, CTM5% and 17% for QTM10%. Acid chlorite pretreatment removed lignin at 55% and 75% levels for D2 and D4, respectively; and 10% of hemicellulose in D4 bagasse. Hemicelluloses from all pre-treated bagasses were extracted with 3 different commercial endoxylanases preparations using 20UI/g of bagasse, at pH 8.0 (phosphate buffer 50 mM), 50°C and solid:liquid ratio of 1:20. After 24h of reaction, Luminase xylanase showed the best xylan extraction yields of: 4%, 7% and 32% for QTM2,5%, QTM5% and QTM10%, respectively; and of: 34% and 55% for D2 and D4, respectively. The xylan extraction correlated linearly with lignin (R2=0.97) and hidroxicinamic acid (R2=0.88 for ferulic acid; R2=0.80 for p-coumaric acid) removal, and with the increase of accessible surface area of the cellulose (R2=0.95). The production of monomeric sugars in the extracted xylan was not observed. Increasing enzimatic loading by 20 times (100 UI) for the bagasse CTM10% and 12 times (60 UI/) for the D4 bagasse, the xylan extraction was increased 29% and 21%, respectively, suggesting that besides lignin and hydroxycinnamic acids, there are other impediments to enzymatic extraction. The QTM10% bagasse was extracted sequentially twice with 100UI of Luminase per gram of bagasse, and then saccharified with commercial cellulases. The results showed that the xylanes most substituted with arabinose are extracted first and that the extraction of the xylan favors the saccharification of the residual cellulose as compared to a simply pretreated material. However, to access all the bagasse xylan, it is necessary to hydrolyze part of the cellulose, because the QTM10% pretreatment was not enough to completely disintegrate the high cellulose-hemicellulose interaction. Pre-incubation of the QTM10% bagasse for 8h with endoglucanase, followed by xylanase reaction for 24h, increased the xylan extraction by 17.6%. Extracted xylans were recovered by precipitation with ethanol and characterized. Chemical and nuclear magnetic resonance analysis showed that extracted xylan corresponds to a glucurono-arabinoxylan with residues of p-coumaric acid and low amounts of lignin and proteins, derived from the extraction process.
 
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Publishing Date
2018-08-07
 
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