Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira RamosDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Defesa : Curitiba, 30/05/2023Inclui referências: p. 92-102Resumo: A produção de etanol celulósico a partir de biomassa lignocelulósica, como resíduos agrícolas e agroindustriais, têm se demonstrado um tema cada vez mais estratégico para a indústria sucroalcooleira. Nesse sentido, a cana-energia surgiu como uma alternativa promissora para aumentar a produtividade de biomassa no campo e gerar plantas com maior teor de fibras sem que a produção de sacarose seja comprometida. Esse trabalho teve por objetivo estudar o potencial da cana-energia para o desenvolvimento de uma biorrefinaria baseada na produção de etanol de segunda geração. Para isso, cinco amostras de bagaço de cana-energia (Vertix 2, 3, 7, 9 e 11) e uma da cana-de-açúcar de referência (RB92579) foram submetidas às etapas de caracterização, pré-tratamento por explosão a vapor, hidrólise enzimática e fermentação dos hidrolisados a etanol. Todos os bagaços foram inicialmente lavados com água em um teor de sólidos de 5% (m·v-1) a 50 °C por 1 h para remover a sacarose residual. A seguir, as amostras foram caracterizadas de acordo com procedimentos analíticos padronizados para a análise de gramíneas e os resultados indicaram não haver diferença significativas em sua análise composicional. Os ensaios de explosão a vapor foram realizados a 195°C por 7,5 min em condições de auto-hidrólise (ausência de catalisador exógeno). As frações sólidas e líquidas derivadas do pré-tratamento foram caracterizadas de modo a avaliar o seu efeito sobre a composição química dos bagaços e determinar os rendimentos mássicos do processo (base seca). A maior recuperação mássica obtida foi de 88,6% para a amostra RB92579, enquanto a menor foi de 78,1% para a amostra Vertix 7. Já em relação à recuperação da fração sólida fibrosa, a amostra Vertix 11 forneceu o maior rendimento de 68,4%. A explosão a vapor promoveu a remoção seletiva das hemiceluloses, que foram parcialmente recuperadas na fração líquida ou licor de pré-tratamento. A análise cromatográfica desta fração demonstrou a presença de xilo-oligossacarídeos, cuja concentração foi menor nos licores de pré-tratamento das amostras Vertix 2, Vertix 11 e RB92579, sugerindo, portanto, uma maior propensão à hidrólise ácida. Os substratos pré-tratados foram lavados com água a 5% de sólidos para separação do licor de pré-tratamento, também denominado hidrolisado hemicelulósico ou fração C5. Posteriormente, ensaios de acessibilidade enzimática foram realizados em frasco agitado com a enzima Cellic CTec3 (Novozymes) empregando 2 e 15% de sólidos e carga enzimática de 30 e 60 mg·g-1 de material seco, respectivamente. Os melhores rendimentos em equivalentes de glucose após 96 h de hidrólise foram de 89,4%, 85,5% e 86,5% a 15% de sólidos para as amostras Vertix 3, Vertix 7 e Vertix 11, respectivamente. O aumento da escala de hidrólise enzimática foi testado em biorreator a 15% de sólidos e carga enzimática de 60 mg·g-1 de material seco. O hidrolisado enzimático com maior concentração de glucose das amostras de cana-energia (Vertix 11) e o da amostra controle (RB92579) foram fermentados com a levedura Saccharomyces cerevisiae CAT1. Os ensaios de fermentação foram conduzidos em biorreator por 24 h a 30°C. Os títulos de etanol obtidos para as amostras foram de 33,7 e 27,4 g·L-1 para os hidrolisados Vertix 11 e RB92579, com rendimentos de etanol de 83,0% e 86,5%, respectivamente. Das cinco variedades envolvidas nesse estudo, a Vertix 11 foi a que apresentou o melhor desempenho, revelando um potencial de produção de 7.293 L·ha-1 de etanol celulósico em comparação com 2.230 L·ha-1 do material de referência. Além disso, a lignina contida no material pré-tratado mostrou-se amplamente solúvel em etanol (93,5%), abrindo com isso uma grande oportunidade para aplicações em biorrefinaria.Abstract: The production of cellulosic ethanol from lignocellulosic biomass, such as agricultural and agroindustrial residues, has become an increasingly strategic topic for the sugar and alcohol industry. In that regard, energy cane emerged as a promising alternative to increase biomass productivity in the field and generate plants with higher fiber content without compromising sucrose production. This work aimed to study the potential of energy cane for the development of a biorefinery based on the production of second-generation ethanol. Thereunto five samples of energy cane bagasse (Vertix 2, 3, 7, 9 and 11) and one sample of sugarcane reference (RB92579) were tested in the characterization steps, pre-treatment by steam explosion, enzymatic hydrolysis and fermenting the hydrolysates to ethanol. All bagasse were initially washed with water at a solids content of 5% (m·v-1) at 50 °C for 1 h to remove residual sucrose. Hereafter, the samples were characterized according to standardized analytical procedures for the analysis of grasses and the results indicated that there were no significant differences in their compositional analysis. The steam explosion tests were carried out at 195°C for 7,5 min under autohydrolysis conditions (absence of exogenous catalyst). The solid and liquid fractions derived from the pre-treatment were characterized in order to evaluate their effect on the chemical composition of the bagasse and determine the mass yields of the process (dry basis). The highest mass recovery obtained was 88,6% for the RB92579 sample, while the lowest was 78,1% for the Vertix 7 sample. Regarding the recovery of the fibrous solid fraction, the Vertix 11 sample provided the highest yield of 68,4%. The steam explosion promoted the selective removal of hemicelluloses, which were partially recovered in the liquid fraction or pre-treatment liquor. The chromatographic analysis of this fraction set forth the presence of xylo-oligosaccharides, whose concentration was lower in the pre-treatment liquors of the Vertix 2, Vertix 11 and RB92579 samples, therefore suggesting a greater propensity for acid hydrolysis. The pretreated substrates were washed with water at 5% solids to separate the pre-treatment liquor, also called hemicellulosic hydrolyzate or C5 fraction. Subsequently, enzymatic accessibility tests were carried out in a shaken flask with the enzyme Cellic CTec3 (Novozymes) using 2 and 15% of solids and enzymatic load of 30 and 60 mg·g-1 of dry material, respectively. The best yields in glucose equivalents after 96 h of hydrolysis were 89,4%, 85,5% and 86,5% to 15% solids for the Vertix 3, Vertix 7 and Vertix 11 samples, respectively. The increase in scale of enzymatic hydrolysis was tested in a bioreactor at 15% solids and enzymatic load of 60 mg·g-1 of dry material. The enzymatic hydrolyzate with the highest concentration of glucose from the energy cane samples (Vertix 11) and the control sample (RB92579) were fermented with the Saccharomyces cerevisiae yeast CAT1. The fermentation tests were conducted in a bioreactor for 24 h at 30°C. The ethanol titles obtained for the samples were 33,7 and 27,4 g·L-1 for Vertix 11 and RB92579 hydrolysates, with ethanol yields of 83,0% and 86,5%, respectively. Among the five varieties involved in this study, Vertix 11 was the one with the best performance, revealing a production potential of 7.293 L·ha-1 of cellulosic ethanol compared to 2.230 L·ha-1 of the reference material. Furthermore, the lignin contained in the pre-treated material was widely soluble in ethanol (93,5%), thus opening up a great opportunity for biorefinery applications
