Sacarificação e fermentação simultâneas de resíduos lignocelulósicos da indústria da pasta e papel para a produção de bioetanol

Abstract

Durante o século passado a produção de dióxido de carbono (CO2) cresceu de forma exponencial devido à grande expansão no setor dos transportes. O primeiro passo para prevenir mudanças irreversíveis e reduzir os impactos dos gases com efeito estufa no clima seria utilizar combustíveis alternativos, como o bioetanol, derivados de biomassa. A estratégia mais promissora para a obtenção de bioetanol a partir de biomassa lignocelulósica é a sacarificação e fermentação simultâneas (Simultaneous Saccharification and Fermentation – SSF). No entanto, o problema crítico da SSF é a diferença existente entra as temperaturas ótimas de atuação do extrato enzimático (45-50°C) e do microrganismo fermentativo (30- 37°C). Uma possível solução para este problema seria utilizar microrganismos termotolerantes que cresçam a uma temperatura mais elevada. Entre as espécies de leveduras etanólicas, a que se destaca pela sua termotolerância é a espécie Kluyveromyces marxianus. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo principal valorizar os resíduos lignocelulósicos, nomeadamente lamas primárias provenientes da indústria de pasta e papel, como matéria-prima para a produção de bioetanol por SSF. Foi realizado um estudo prévio para avaliar o crescimento celular de duas estirpes, S. cerevisiae (comercial) e K. marxianus NCYC 1426, para as temperaturas de 30, 38 e 42°C. Mediante os resultados obtidos, optou-se por utilizar a temperatura de 38°C nos ensaios SSF para S. cerevisiae (comercial) e as temperaturas de 38 e 42°C para K. marxianus NCYC 1426. Foram realizados diversos ensaios SSF com as estirpes S. cerevisiae (comercial) a 38°C e K. marxianus NCYC a 38 e 42°C em regime descontínuo ou semi-descontínuo. Como fonte de carbono utilizou-se a fracção de hidratos de carbono (HC) da pasta crua (referência) e da lama primária (não tratada ou prétratada com HCl), com concentrações iniciais de 25 ou 50 g/L em regime descontínuo e concentrações totais até 100 ou 200 g/L em regime semi-descontínuo. Dentro dos ensaios SSF realizados com a S. cerevisiae (comercial), as concentrações máximas de etanol alcançadas foram 47,5 g/L no ensaio da pasta crua (200 g/L de HC), 43 g/L no ensaio da lama primária (200 g/L de HC) e 28,1 g/L no ensaio da lama primária pré-tratada (100 g/L de HC) em semidescontínuo. Dentro dos ensaios SSF realizados com a K. marxianus NCYC 1426, as maiores concentrações de etanol obtidas foram de 33,2 g/L e 29,9 g/L nos ensaios da pasta crua e lama primária, respectivamente, em regime semi-descontínuo com carga de hidratos de carbono de 200 g/L a 42°C. Em resumo, os ensaios SSF com a lama primária (não tratada e pré-tratada) utilizando a S. cerevisiae (comercial) ou a K. marxianus NCYC 1426 demonstraram ser promissores para a produção de bioetanol. No entanto, há necessidade de realizar estudos adicionais a fim de melhorar/otimizar a performance das estirpes para a obtenção de bioetanol.

During the last century the production of carbon dioxide (CO2) has grown exponentially due to the big expansion in the transport sector. The first step to prevent irreversible changes and reduce the impacts of greenhouse gases on climate would be to use alternative fuels, such as bioethanol, derived from biomass. The strategy with great potential for obtaining bioethanol from lignocellulosic biomass is the Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF). However, the critical problem of SSF is the difference between the optimal temperature of the enzymatic extract (45-50°C) and of the fermentative microorganism (30-37°C). A possible solution to this problem would be to use thermotolerant organisms that grow at higher temperatures. Among the species of ethanolic yeasts, the one which stands out for its thermotolerance is the species Kluyveromyces marxianus. In this context, the present study had as the main objective the valorisation of lignocellulosic wastes, such as primary sludge from pulp and paper industries, as raw material for bioethanol production by SSF. We performed preliminary studies to evaluate the cell growth of two strains, S. cerevisiae (commercial) and K. marxianus NCYC 1426, at temperatures of 30, 38 and 42°C. According to the results obtained, we chose to use the temperature of 38°C in SSF experiments for S. cerevisiae (commercial) and temperatures of 38 to 42°C for K. marxianus NCYC 1426. Various SSF experiments were performed with strains S. cerevisiae (commercial) at 38°C and K. marxianus, NCYC at 38 and 42°C under batch or fed-batch operation conditions. The fraction of the carbohydrate (HC) of unbleached pulp (reference) and of primary sludge (untreated or pretreated with HCl) was used as carbon source, with initial concentrations of 25 or 50 g/L in batch systems and total concentrations until 100 to 200 g/L in fed-batch assays. Among the SSF experiments performed with S. cerevisiae (commercial), maximum ethanol concentrations of 47.5 g/L in the unbleached pulp assay (200 g/L HC), 43 g/L in the primary sludge assay (200 g/L HC) and 28.1 g/L in the pretreated primary sludge assay (100 g/L HC) were obtained in fed-batch conditions. K. marxianus, NCYC 1426 produced ethanol concentrations of 33.2 g/L and 29.9 g/L, in SSF experiments of unbleached pulp and primary sludge, respectively, in fed-batch conditions (200 g/L HC at 42°C). In summary, the SSF experiments with primary sludge (untreated and pretreated) using S. cerevisiae (commercial) or K. marxianus NCYC 1426 demonstrated to be promising for the production of bioethanol. However, there is a need to perform further studies to improve/optimize the performance of the strains for obtaining bioethanol.