Produção de etanol celulósico sob elevadas concentrações de polímeros à base de óxido de etileno
The conversion of agro-industrial wastes such as green coconut husk (GCH) and corncob (CC) into ethanol is a promising alternative for Brazil to overcome industrial, economic and environmental issues. However, the cellulosic ethanol production requires an improvement in its main stages: pretreatm...
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| Hovedforfatter: | |
|---|---|
| Andre forfattere: | |
| Format: | doctoralThesis |
| Sprog: | pt_BR |
| Udgivet: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
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| Fag: | |
| Online adgang: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/32894 |
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ri-123456789-32894 |
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Repositório Institucional |
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Coco verde Milho Polietilenoglicol Etileno óxido-propileno óxido Desintoxicação Etanol |
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Coco verde Milho Polietilenoglicol Etileno óxido-propileno óxido Desintoxicação Etanol Nogueira, Cleitiane da Costa Produção de etanol celulósico sob elevadas concentrações de polímeros à base de óxido de etileno |
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The conversion of agro-industrial wastes such as green coconut husk (GCH) and corncob (CC)
into ethanol is a promising alternative for Brazil to overcome industrial, economic and
environmental issues. However, the cellulosic ethanol production requires an improvement in
its main stages: pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. For this purpose,
researches have shown many possibilities. Among them, it can be highlighted the use of
polymers such as polyethylene glycol (PEG) and its derivatives in these stages, since, in
addition to beneficially assisting the pretreatment of biomass, it has favored the enzymatic
activity and increased the viability and tolerance of the yeast in fermentation media with
inhibitors. Therefore, this study evaluated how the type of polymer and its concentration can
influence the performance of each stage. For this, the GCH and CC biomasses (untreated and
pretreated in hydrothermal, acid and alkaline conditions) and SigmaCell cellulose, yeasts
(Saccharomyces cerevisiae CAT-1 and Kluyveromyces marxianus), and polymers (Triton X100, Tween 80, PEG 4000 and EOPO 5800) at different concentrations were used during the
studied stages. In addtion, fermentative strategies have been proposed to integrate these steps
by using polymers. In fermentations in inhibitory medium, the polymers PEG and ethylene
oxide-propylene oxide (EOPO) acted as detoxification agents, maintaining the cell viability and
the ethanol production similar to the control without inhibitor and polymer. This behavior was
directly related to the concentration of the polymer up to the values of 175 and 100 g.L-1
for PEG 4000 and EOPO 5800, respectively. In simulated enzymatic hydrolysis, PEG and EOPO
increased cellulolytic activity and the release of fermentable sugars in an environment rich in
lignin. PEG 400 was successfully used in the simultaneous saccharification and fermentation
(SSF) of the slurry from the pressurized hydrothermal pretreatment, increasing the ethanol titer
from 6.43 g.L-1 (control without PEG) to 7.87 g.L-1. During acid pretreatment, PEG increased
the delignification of the CC. However, the effect of polymers was more pronounced with the
GCH for the subsequent stages of hydrolysis and fermentation, probably because of the high
biomass lignin content. The results of SSF with liquor and PEG for pretreated acid and
hydrothermal GCH were 8.8±0.8 g.L-1 and 9.3±1.2 g.L-1 of ethanol, respectively. However,
these values were exceeded when using untreated coconut (9.7±0.5 g.L-1). Batch SSF from
untreated GCH reached 89.8% mass yield of ethanol, using 175 g.L-1 PEG 4000, 20 FPU.g-1
and 1x108cells.mL-1 of S. cerevisiae CAT-1. The addition of PEG made it possible to operate
the batch fed SSF using up to 30% (w/w) of solid loading, 13.3 FPU.g-1 of enzyme loading and 1x108
cells.mL-1 of S. cerevisiae CAT-1, producing 35.1 g.L-1 ethanol in 48 h. Therefore, the results indicated that PEG in high concentrations is an alternative to facilitate the processing of
GCH in the cellulosic ethanol industry. |
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Santos, Everaldo Silvino dos |
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Santos, Everaldo Silvino dos Nogueira, Cleitiane da Costa |
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| author |
Nogueira, Cleitiane da Costa |
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ri-123456789-328942021-07-15T19:16:51Z Produção de etanol celulósico sob elevadas concentrações de polímeros à base de óxido de etileno Nogueira, Cleitiane da Costa Santos, Everaldo Silvino dos http://lattes.cnpq.br/8630679962860994 http://lattes.cnpq.br/4330639792072559 Padilha, Carlos Eduardo de Araújo http://lattes.cnpq.br/1186888955341616 Dutra, Emmanuel Damilano http://lattes.cnpq.br/0359600775598226 Silva, Francinaldo Leite da http://lattes.cnpq.br/1239745530214820 Souza Filho, Pedro Ferreira de http://lattes.cnpq.br/3140602874903609 Franco, Telma Teixeira Coco verde Milho Polietilenoglicol Etileno óxido-propileno óxido Desintoxicação Etanol The conversion of agro-industrial wastes such as green coconut husk (GCH) and corncob (CC) into ethanol is a promising alternative for Brazil to overcome industrial, economic and environmental issues. However, the cellulosic ethanol production requires an improvement in its main stages: pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. For this purpose, researches have shown many possibilities. Among them, it can be highlighted the use of polymers such as polyethylene glycol (PEG) and its derivatives in these stages, since, in addition to beneficially assisting the pretreatment of biomass, it has favored the enzymatic activity and increased the viability and tolerance of the yeast in fermentation media with inhibitors. Therefore, this study evaluated how the type of polymer and its concentration can influence the performance of each stage. For this, the GCH and CC biomasses (untreated and pretreated in hydrothermal, acid and alkaline conditions) and SigmaCell cellulose, yeasts (Saccharomyces cerevisiae CAT-1 and Kluyveromyces marxianus), and polymers (Triton X100, Tween 80, PEG 4000 and EOPO 5800) at different concentrations were used during the studied stages. In addtion, fermentative strategies have been proposed to integrate these steps by using polymers. In fermentations in inhibitory medium, the polymers PEG and ethylene oxide-propylene oxide (EOPO) acted as detoxification agents, maintaining the cell viability and the ethanol production similar to the control without inhibitor and polymer. This behavior was directly related to the concentration of the polymer up to the values of 175 and 100 g.L-1 for PEG 4000 and EOPO 5800, respectively. In simulated enzymatic hydrolysis, PEG and EOPO increased cellulolytic activity and the release of fermentable sugars in an environment rich in lignin. PEG 400 was successfully used in the simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of the slurry from the pressurized hydrothermal pretreatment, increasing the ethanol titer from 6.43 g.L-1 (control without PEG) to 7.87 g.L-1. During acid pretreatment, PEG increased the delignification of the CC. However, the effect of polymers was more pronounced with the GCH for the subsequent stages of hydrolysis and fermentation, probably because of the high biomass lignin content. The results of SSF with liquor and PEG for pretreated acid and hydrothermal GCH were 8.8±0.8 g.L-1 and 9.3±1.2 g.L-1 of ethanol, respectively. However, these values were exceeded when using untreated coconut (9.7±0.5 g.L-1). Batch SSF from untreated GCH reached 89.8% mass yield of ethanol, using 175 g.L-1 PEG 4000, 20 FPU.g-1 and 1x108cells.mL-1 of S. cerevisiae CAT-1. The addition of PEG made it possible to operate the batch fed SSF using up to 30% (w/w) of solid loading, 13.3 FPU.g-1 of enzyme loading and 1x108 cells.mL-1 of S. cerevisiae CAT-1, producing 35.1 g.L-1 ethanol in 48 h. Therefore, the results indicated that PEG in high concentrations is an alternative to facilitate the processing of GCH in the cellulosic ethanol industry. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq A conversão de resíduos agroindustriais como a casca de coco verde (CCV) e o sabugo de milho (SM) em etanol é uma alternativa promissora para o Brasil superar impasses industriais, econômicos e ambientais. Entretanto, a produção de etanol celulósico requer um aperfeiçoamento de suas principais etapas: o pré-tratamento, a hidrólise enzimática e a fermentação. Para isso, as pesquisas têm mostrado muitas possibilidades. Dentre elas, destacase o uso de polímeros como o polietileno glicol (PEG) e seus derivados como coadjuvantes nessas etapas, visto que, além de auxiliar beneficamente o pré-tratamento da biomassa, eles têm favorecido a atividade enzimática e aumentado a viabilidade e tolerância celular em meio fermentativo com inibidores. Assim, este trabalho avaliou como os tipos de polímeros e suas concentrações podem influenciar o desempenho de cada etapa. Para isso, utilizaram-se as biomassas CCV e SM (não tratada e pré-tratada em condições hidrotérmica, ácida e alcalina) e SigmaCell celulose, leveduras (Saccharomyces cerevisiae CAT-1 e Kluyveromyces marxianus) e polímeros (Triton X-100, Tween 80, PEG 400 a 4000 e EOPO 5800) em diferentes concentrações durante as etapas estudadas. Ainda, foram propostas estratégias fermentativas para integrar essas etapas com uso dos polímeros. Nas fermentações em meio inibitório, os polímeros polietilenoglicol (PEG) e etileno óxido-propileno óxido (EOPO) agiram como desintoxicantes, mantendo a viabilidade celular e a produção de etanol semelhante ao controle sem inibidor e polímero. Esse comportamento foi diretamente relacionado com a concentração do polímero até os valores 175 e 100 g.L-1 para o PEG 4000 e EOPO 5800, respectivamente. Na hidrólise enzimática simulada, o PEG e o EOPO aumentaram a atividade celulolítica e a liberação de açúcares fermentescíveis em ambiente rico em lignina. O PEG 400 permitiu utilizar os açúcares presentes no licor do pré-tratamento hidrotérmico pressurizado na sacarificação e fermentação simultâneas (SFS) com sucesso, aumentando o título etanólico de 6,43 g.L-1 (controle sem PEG) para 7,87 g.L-1. Em ambiente ácido, o PEG aumentou a deslignificação do sabugo durante o pré-tratamento. Entretanto, o efeito dos polímeros foi mais pronunciado com a CCV nas etapas subsequentes de hidrólise e fermentação, provavelmente devido ao alto teor de lignina dessa biomassa. Os resultados de SFS com licor e PEG 4000 para a CCV pré-tratada ácida e hidrotérmica foram respectivamente 8,8±0,8 g.L-1 e 9,3±1,2 g.L-1 de etanol, mas esses valores foram superados quando utilizado o coco não tratado (9,7±0,5 g.L-1). A SFS em batelada da CCV não tratada atingiu 89,8% de rendimento mássico de etanol, utilizando 175 g.L-1 de PEG 4000, 20 FPU.g-1 e 108 celúlas.mL-1 de S. cerevisiae CAT-1. A adição de PEG possibilitou operar a SFS em batelada alimentada utilizando até 30% (m/m) de carga de sólidos, 13,3 FPU.g-1 de carga enzimática e 1x108 celúlas.mL-1 de S. cerevisiae CAT-1, produzindo 35,1 g.L-1 de etanol em 48 h. Portanto, os resultados indicaram que o PEG em elevadas concentrações é uma alternativa para facilitar o processamento da CCV na indústria do etanol celulósico. 2021-07-15T19:15:50Z 2021-07-15T19:15:50Z 2021-04-12 doctoralThesis NOGUEIRA, Cleitiane da Costa. Produção de etanol celulósico sob elevadas concentrações de polímeros à base de óxido de etileno. 2021. 302f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/32894 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA |