| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 3.49 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
This work intended to begin an investigation course which aims to deepen the mechanisms that determine the sugar release from lignocellulosic materials, using adequate enzymatic complexes. In this study, it was used an enzymatic complex, kindly provided by Novozymes, which includes a diverse set of enzymes, designed for the hydrolysis of lignocellulosic materials. Provided with this tool, the work began by evaluating the response of two model cellulosic fibrous materials: a chemical bleached pulp (with lignin-free fibers and high specific area) and a mechanical pulp (lignin-rich and also with high specific area). These choices provide high and comparable specific areas, allowing the isolation of the effect of material’s composition. While the chemical bleached pulp is mate exclusively by polysaccharides, the mechanical pulp contains all the lignin from its original wood, apart from the polysaccharides, preserving the wood’s original ultra-structure. In order to distinguish extreme cases, the pulps were also subjected to a beating process in a PFI mill, which additionally increased the material’s specific area, and were afterwards subjected to an enzymatic cocktail. The obtained results revealed completely different answers from both pulps, beaten and unbeaten. The lignin-free pulp has released practically all its carbohydrates, while the mechanical pulp released only about 20% of its potential. The pulp beating had a limited effect on the mechanical pulp and increased the sugar release rate and slightly increased its extension in the chemical bleached pulp. In conclusion, the behavior differences are not due to specific area, but to the chemical composition and/or to the differences in the ultra-structure of both fibrous materials studied. The performed studies point to a combined effect of both factors, which are difficult to isolate due to the fact that the lignin extraction process also induces modifications on the organizational structure of the polymers. The second stage of this work involved non-previously processed prime-matters, namely, pine and eucalyptus wood chips and also broom wood. In these cases, it is essential to submit the material to a pretreatment prior to subject it to enzymatic hydrolysis, aiming its sugars release. In this study, we chose to explore the sodium bisulfite potential, at different pH levels, taking into account the few published studies with this treatment, and the team’s experience on wood coking processes. Based on the literature, the operating conditions of the sulfite stage were chosen, maintaining the enzymatic hydrolysis conditions. After the pretreatment, the material was subjected to a controlled disintegration treatment. The sugars and their byproducts from the pretreatment hydrolysate were analyzed by HPLC and the solid residue was afterwards subjected to enzymatic hydrolysis. The increase on acid charge (H2SO4), for a fixed sulfite level, translated in the increase of sugar release, particularly xylose, and in an increase of byproducts, potentially inhibitors of subsequent bioethanol production stages, and in a darker solid residue with more condensed lignin and higher tendency to fragment in the disintegration step. An attempt of global mass balance was undertaken with consistent results, although they might require adjustments from further investigations. Generally, all the solid residues exhibited a very positive answer on the enzymatic hydrolysis, achieving polysaccharide conversions in the range of 65 to 98%. The sugar release rate proved to be fast in the beginning, gradually decreasing with contact time, until it is annulled. In some cases, a decrease in sugar concentration in the reaction medium takes place, in around 72 hours of enzymatic hydrolysis. Since this decrease is not expectable, it can be related with the existence of microorganisms detected when hydrolyzed samples were observed in an optic microscope. The microscopic observation of samples subjected to different times of enzymatic hydrolysis revealed the enzymes’ ability of fragmenting the fibers; at the end of two days, the fibers were mostly converted to fine elements.
Com o presente trabalho pretendeu-se iniciar uma linha de investigação que visa aprofundar os mecanismos determinantes da libertação de açúcares de materiais lenhocelulósicos utilizando complexos enzimáticos adequados. No presente estudo utilizou-se um complexo enzimático amavelmente cedido pela Novozymes, que inclui um conjunto diverso de enzimas desenhadas para a hidrólise de materiais lenhocelulósicos. Munidos desta ferramenta, começou por avaliar-se a resposta de dois materiais fibrosos celulósicos modelo: uma pasta química branqueada (fibras livres de lenhina e com elevada área específica) e uma pasta mecânica (rica em lenhina e também com elevada área específica). Estas escolhas proporcionam áreas específicas elevadas e comparáveis, permitindo isolar o efeito da composição do material. Enquanto que a pasta química branqueada é constituída exclusivamente por polissacarídeos, a pasta mecânica contém toda a lenhina da madeira que lhe deu origem, para além dos polissacarídeos, preservando a ultra-estrutura original da madeira. Para extremar condições, as pastas foram ainda submetidas ao processo de refinação em moinho PFI, que aumentou ainda mais a área específica do material posteriormente submetido à acção do cocktail enzimático. Os resultados obtidos revelaram respostas completamente diferentes das duas pastas, refinadas ou não, com a pasta isenta de lenhina a libertar praticamente todos os seus hidratos de carbono, enquanto que a pasta mecânica libertou apenas cerca de 20% do seu potencial. A refinação teve um efeito limitado na pasta mecânica, e aumentou a velocidade de libertação dos açúcares e, marginalmente, a sua extensão na pasta química branqueada. Em conclusão, as diferenças de comportamento não se ficam a dever à área específica, mas sim à composição química e/ou às diferenças na ultra-estrutura dos dois materiais fibrosos objecto de estudo. Os estudos realizados apontam para um efeito conjunto dos dois factores, difíceis de separar em virtude de o processo de extracção da lenhina também induzir modificações ao nível da estrutura organizacional dos polímeros. Numa segunda fase do trabalho passou a trabalhar-se com matérias-primas não previamente processadas, isto é, partiu-se de aparas de madeira de pinho e eucalipto e ainda de giesta. Nestes caso, é essencial submeter o material a um pré-tratamento antes de o submeter à hidrólise enzimática com vista à libertação dos açúcares. No presente estudo, optou-se por explorar o potencial do sulfito de sódio, a diferentes níveis de pH, tendo em conta os poucos trabalhos publicados com este tratamento e a experiência da equipa nos processos de cozimento de madeira. Com base na literatura, escolheram-se as condições de operação no estágio do sulfito, tendo-se mantido constantes as condições da hidrólise enzimática. Após o pré-tratamento, o material foi sujeito a um tratamento de desintegração controlado. No hidrolisado determinaram-se, por HPLC, os açúcares e os seus produtos de degradação, e recolheu-se o resíduo sólido, que posteriormente foi submetido à hidrólise enzimática. O aumento da carga de ácido (H2SO4), para um dado nível de sulfito, traduz-se no aumento da libertação de açúcares, particularmente xilose, e num acréscimo dos produtos de degradação inibidores de algumas etapas seguintes no processo de produção de etanol, bem como na produção de um resíduo sólido com lenhina mais condensada (mais escuro), e uma maior tendência para a fragmentação na etapa de desintegração. Levou-se a cabo uma tentativa de balanço global de massa, tendo-se obtido resultados consistentes, mas que requerem afinação em trabalhos futuros. De uma maneira geral, todos os resíduos sólidos exibiram uma resposta muito positiva na hidrólise enzimática, tendo-se atingido conversões dos polissacarídeos na gama de 65 a 98%. A velocidade de libertação dos açúcares é rápida no início, decrescendo gradualmente com a passagem do tempo de contacto, até se anular. Em alguns casos assistese a uma diminuição da concentração de açúcares no meio reaccional para tempos de hidrólise da ordem das 72 horas. Esta diminuição não expectável pode estar relacionada com a existência de microrganismos detectados na observação microscópica das amostras hidrolisadas. A observação microscópica das amostras sujeitas a diferentes tempos de hidrólise enzimática revelou ainda a capacidade das enzimas para fragmentar as fibras; ao cabo de 2 dias as fibras estão maioritariamente convertidas em elementos finos.
Com o presente trabalho pretendeu-se iniciar uma linha de investigação que visa aprofundar os mecanismos determinantes da libertação de açúcares de materiais lenhocelulósicos utilizando complexos enzimáticos adequados. No presente estudo utilizou-se um complexo enzimático amavelmente cedido pela Novozymes, que inclui um conjunto diverso de enzimas desenhadas para a hidrólise de materiais lenhocelulósicos. Munidos desta ferramenta, começou por avaliar-se a resposta de dois materiais fibrosos celulósicos modelo: uma pasta química branqueada (fibras livres de lenhina e com elevada área específica) e uma pasta mecânica (rica em lenhina e também com elevada área específica). Estas escolhas proporcionam áreas específicas elevadas e comparáveis, permitindo isolar o efeito da composição do material. Enquanto que a pasta química branqueada é constituída exclusivamente por polissacarídeos, a pasta mecânica contém toda a lenhina da madeira que lhe deu origem, para além dos polissacarídeos, preservando a ultra-estrutura original da madeira. Para extremar condições, as pastas foram ainda submetidas ao processo de refinação em moinho PFI, que aumentou ainda mais a área específica do material posteriormente submetido à acção do cocktail enzimático. Os resultados obtidos revelaram respostas completamente diferentes das duas pastas, refinadas ou não, com a pasta isenta de lenhina a libertar praticamente todos os seus hidratos de carbono, enquanto que a pasta mecânica libertou apenas cerca de 20% do seu potencial. A refinação teve um efeito limitado na pasta mecânica, e aumentou a velocidade de libertação dos açúcares e, marginalmente, a sua extensão na pasta química branqueada. Em conclusão, as diferenças de comportamento não se ficam a dever à área específica, mas sim à composição química e/ou às diferenças na ultra-estrutura dos dois materiais fibrosos objecto de estudo. Os estudos realizados apontam para um efeito conjunto dos dois factores, difíceis de separar em virtude de o processo de extracção da lenhina também induzir modificações ao nível da estrutura organizacional dos polímeros. Numa segunda fase do trabalho passou a trabalhar-se com matérias-primas não previamente processadas, isto é, partiu-se de aparas de madeira de pinho e eucalipto e ainda de giesta. Nestes caso, é essencial submeter o material a um pré-tratamento antes de o submeter à hidrólise enzimática com vista à libertação dos açúcares. No presente estudo, optou-se por explorar o potencial do sulfito de sódio, a diferentes níveis de pH, tendo em conta os poucos trabalhos publicados com este tratamento e a experiência da equipa nos processos de cozimento de madeira. Com base na literatura, escolheram-se as condições de operação no estágio do sulfito, tendo-se mantido constantes as condições da hidrólise enzimática. Após o pré-tratamento, o material foi sujeito a um tratamento de desintegração controlado. No hidrolisado determinaram-se, por HPLC, os açúcares e os seus produtos de degradação, e recolheu-se o resíduo sólido, que posteriormente foi submetido à hidrólise enzimática. O aumento da carga de ácido (H2SO4), para um dado nível de sulfito, traduz-se no aumento da libertação de açúcares, particularmente xilose, e num acréscimo dos produtos de degradação inibidores de algumas etapas seguintes no processo de produção de etanol, bem como na produção de um resíduo sólido com lenhina mais condensada (mais escuro), e uma maior tendência para a fragmentação na etapa de desintegração. Levou-se a cabo uma tentativa de balanço global de massa, tendo-se obtido resultados consistentes, mas que requerem afinação em trabalhos futuros. De uma maneira geral, todos os resíduos sólidos exibiram uma resposta muito positiva na hidrólise enzimática, tendo-se atingido conversões dos polissacarídeos na gama de 65 a 98%. A velocidade de libertação dos açúcares é rápida no início, decrescendo gradualmente com a passagem do tempo de contacto, até se anular. Em alguns casos assistese a uma diminuição da concentração de açúcares no meio reaccional para tempos de hidrólise da ordem das 72 horas. Esta diminuição não expectável pode estar relacionada com a existência de microrganismos detectados na observação microscópica das amostras hidrolisadas. A observação microscópica das amostras sujeitas a diferentes tempos de hidrólise enzimática revelou ainda a capacidade das enzimas para fragmentar as fibras; ao cabo de 2 dias as fibras estão maioritariamente convertidas em elementos finos.
Description
Keywords
Bioetanol Hidrólise enzimática Materiais lenhocellulósicos Ultroestrutura