HIDRÓLISE ENZIMÁTICA EM SISTEMAS DE ALTA PRESSÃO

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INTRODUÇÃO

O bioetanol pode ser obtido a partir de diferentes matérias primas e por diferentes tecnologias de conversão, classificando o produto como de primeira (1G) ou de segunda geração (2G). Enquanto as tecnologias de primeira geração estão baseadas na fermentação da sacarose presente, por exemplo, no caldo de cana-de-açúcar, as tecnologias de segunda geração utilizam resíduos agrícolas e agroindustriais (materiais lignocelulósicos) para este mesmo fim (Ramos, 2003; Pitarelo, 2007). Neste caso, o processo fermentativo é baseado nos carboidratos liberados da lignocelulose por hidrólise da celulose e das hemiceluloses, fato que oferece barreiras tecnológicas que ainda vêm sendo estudadas por vários grupos de pesquisa em todo o mundo. Exemplos desta atividade vêm sendo associados à utilização de resíduos agrícolas para produção de etanol 2G, como é o caso da palha de milho (Holtzapple, 2000), palha de arroz (Guo et al., 2009), casca de arroz (Ghosh, 2006), bagaço de cana de açúcar (Muthukumar, 2011) e resíduos de algodão (Shivappa, 2009).

Sabe-se que o Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, apresentando para o biênio 2008/2009 a produção de 570 milhões de toneladas com 27,5 bilhões de litros de etanol e 31 milhões de toneladas de açúcar, com aproveitamento mássico de 9,0% da biomassa da cana. Esta atividade promove, além da industrialização, o acúmulo de 517 milhões de toneladas de bagaço de cana-de-açúcar. Assim, o aproveitamento desta biomassa para a produção de biocombustíveis e insumos químicos, como é o caso do próprio etanol, tornou-se uma necessidade premente para a sociedade moderna.

A produção de etanol 2G é realizada em quatro etapas sequenciais: (1) pré-tratamento da biomassa, que visa aumentar a acessibilidade dos carboidratos à bioconversão; (2) a hidrólise enzimática, que converte os carboidratos em açúcares fermentescíveis; (3) a fermentação, que é responsável pela produção de etanol; e, finalmente, (4) a recuperação do etanol por destilação. Visando diminuir as dificuldades técnicas inerentes ao processo e, naturalmente, à redução de seu custo operacional, tais etapas podem ser realizadas de forma integrada (Ramos, 2003; Cardona e Sánchez, 2007). Neste sentido, três possíveis estratégias de integração têm sido amplamente investigadas nestas últimas décadas: a co-fermentação de pentoses e hexoses (CF); a sacarificação e fermentação simultâneas (SSF); e a sacarificação e co-fermentação simultâneas (SSCF), conforme apresentado na Figura 1.

Devido à resistência natural dos materiais lignocelulósicos à bioconversão, a etapa de pré-tratamento é essencial para promover o fracionamento e aumentar a acessibilidade química dos principais componentes da parede celular. A partir da década de 80, alguns autores propuseram o pré-tratamento de materiais lignocelulósicos utilizando fluidos pressurizados. Da mesma maneira, os líquidos iônicos (LI) têm sido propostos como solventes verdes promissores para o fracionamento de lignocelulose. O pré-tratamento de biomassa com LI conserva a estrutura majoritária da lignina e, por esta razão, além da possibilidade de co-geração de energia através de sua queima em caldeiras viável em função de seu alto poder calorífico, abre-se uma grande perspectiva de sua aplicação direta na indústria como fonte de novos materiais, ácidos fenólicos, adsorventes e insumos variados para a indústria de transformação (biorrefinarias).

Por outro lado, materiais extraíveis de baixa massa molecular, como terpenos, lignanas, estilbenos, flavonóides e outros aromáticos, não são usualmente aproveitados pelos métodos de pré-tratamento atualmente disponíveis na literatura devido a sua alta reatividade química. No entanto, sabe-se que estes materiais apresentam alto valor agregado e que sua extração pode ser realizada com facilidade por extração supercrítica, o que facilitaria o aproveitamento destes juntamente à lignina para facilitar a viabilização do etanol 2G e a adequação do processo integrado ao conceito de biorrefinarias. Por esta razão, este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito do pré-tratamento com fluidos pressurizados (eventualmente supercríticos) sobre a susceptibilidade à hidrólise enzimática do bagaço de cana, empregando de LI na presença e na ausência de co-solventes como o etanol. Apesar de eficientes no aumento da susceptibilidade da biomassa à hidrólise e na recuperação de lignina para futuras aplicações em química fina, os processos à base de LI são onerosos devido ao seu alto custo. Portanto, com a aplicação de fluidos pressurizados (CO2 e propano) e co-solventes como o etanol, será possível diminuir a quantidade de LI necessária ao pré-tratamento e maximizar a sua reciclagem, permitindo assim um aumento nos rendimentos de processo e uma diminuição substancial nos seus custos de produção. Deve-se ainda destacar que o pré-tratamento da lignocelulose, seja com LI ou fluidos pressurizados, gera um substrato rico em celulose e hemiceluloses. Por esta razão, a recuperação de carboidratos poderá ser maior do que a comumente obtida nas tecnologias de pré-tratamento investigadas até o momento. Porém, o alto teor de hemiceluloses presente no bagaço pré-tratado exigirá a otimização de uma preparação enzimática capaz de promover a sua hidrólise eficientemente. Para isto, está sendo proposta a utilização de preparações enzimáticas de última geração, que serão fornecidas pela Novozymes. Trata-se dos produtos Cellic recentemente lançados no mercado, nomeadamente as Cellic CTec 2 e HTec 2, sendo a primeira essencialmente celulásica e a segunda, hemicelulásica. Tais enzimas têm sido identificadas como as primeiras comercialmente viáveis para produção de etanol de segunda geração a partir de resíduos agroindustriais por exigirem cargas enzimáticas até 50% menores do que outras enzimas comerciais, tornando possível a realização da sacarificação de celulose utilizando apenas de 1 a 2 mg de enzima por grama de substrato seco.

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Figura 1. Diagrama global de produção de bioetanol a partir da biomassa lignocelulósica.

Conforme o fluxograma apresentado na Figura 2, os objetivos deste projeto estarão centrados na remoção inicial de componentes de baixa massa molar e, posteriormente, na realização do pré-tratamento buscando a remoção da lignina e de complexos lignina-carboidrato com a menor geração possível de inibidores para a fermentação. Para isto, fluidos pressurizados, líquidos iônicos e solventes