Enzymatic hydrolysis of chemithermomechanically pretreated sugarcane bagasse and samples with reduced initial lignin content

Abstract

Chemithermomechanical (CTM) processing was used to pretreat sugarcane bagasse with the aim of increasing cell wall accessibility to hydrolytic enzymes. Yields of the pretreated samples were in the range of 75-94%. Disk refining and alkaline-CTM and alkaline/sulfite-CTM pretreatments yielded pretreated materials with 21.7, 17.8, and 15.3% of lignin, respectively. Hemicellulose content was also decreased to some extent. Fibers of the pretreated materials presented some external fibrillation, fiber curling, increased swelling, and high water retention capacity. Cellulose conversion of the alkaline-CTM- and alkaline/sulfite-CTM-pretreated samples reached 50 and 85%, respectively, after 96 h of enzymatic hydrolysis. Two samples with low initial lignin content were also evaluated after the mildest alkaline-CTM pretreatment. One sample was a partially delignified mill-processed bagasse. The other was a sugarcane hybrid selected in a breeding program. Samples with lower initial lignin content were hydrolyzed considerably faster in the first 24 h of enzymatic digestion. For example, enzymatic hydrolysis of the sample with the lowest initial lignin content (14.2%) reached 64% cellulose conversion after only 24 h of hydrolysis when compared with the 30% observed for the mill-processed bagasse containing an initial lignin content of 24.4%.

Efeito da lignina de bagaços de cana-de-açúcar pré-tratados na hidrólise enzimática da celulose

“…O teor desses componentes varia bastante entre diferentes amostras de bagaço, como consequência das características genotípicas da cana-de-açúcar, das condições de cultivo, dos métodos de colheita e estocagem do bagaço (HAMES et al, 2003 ESTEVES, 2011;MENDES et al, 2011;SANTOS et al, 2011;SIQUEIRA et al, 2013). Além desses componentes, o bagaço de cana pode conter cinzas, que podem chegar 4,0% da massa total do bagaço, e extrativos, compostos não estruturais, cujos teores podem variar de 4,0 % a 9,0%, dependendo, inclusive, do método analítico utilizado (CANILHA et al, 2011;MILNE et al, 1992;SEABRA et al, 2010;TEMPLETON et al, 2010 WEGENER, 1983a;SAHA, 2003).…”

Caracterização ultraestrutural e hidrólise enzimática de cana-de-açúcar e bagaço pré-tratado quimio-mecanicamente

“…Com a quebra das estruturas aril-éter, observa-se a fragmentação da macromolécula de lignina em compostos solúveis no meio reacional. O pré-tratamento alcalino também promove a clivagem de ligações éster de ácidos hidroxicinâmicos ligados à lignina ou hemicelulose (CAO et al, 2012;MASARIN et al, 2011;MENDES et al, 2011).…”

“…Estudos realizados pelo nosso grupo de pesquisa utilizando o pré-tratamento quimiotermomecânico no bagaço de cana-de-açúcar em meio sulfito alcalino mostraram a conversão de 85% da celulose de amostras pré-tratadas, em que cerca de 50% da lignina e 33% da hemicelulose haviam sido removidas (MENDES et al, 2011). A hidrólise da celulose destas amostras foi facilitada não apenas pela redução no conteúdo de lignina e hemicelulose, mas também pela incorporação de grupos sulfônicos na superfície do e 5% m/m) e sulfito de sódio (5%, 7,5% e 10% m/m), combinadas na proporção de 1:2, respectivamente.…”

“…O processo sulfito alcalino foi usado no tratamento do bagaço de cana-de-açúcar, em condições previamente definidas por Mendes et al (2011), visando a sua sacarificação enzimática. Neste estudo, foi demonstrada a alta eficiência da hidrólise de celulose (85%) mesmo com modesta deslignificação (50%) e um alto rendimento do processo sulfito alcalino com tempo de cozimento de 120 minutos.…”

“…Dentre os processos já descritos para esta finalidade, o pré-tratamento quimio-mecânico empregando sulfito alcalino se mostrou eficiente tanto para bagaço de cana como para madeiras de folhosas e de coníferas (MENDES et al, 2011;WYMAN et al, 2005;ZHU et al, 2009). Este processo tem sido utilizado em nossa pesquisa com resultados promissores, em que foi demonstrada a alta eficiência da hidrólise de celulose mesmo com parcial deslignificação e um alto rendimento do processo (MENDES et al, 2011).…”