Impacto da pre-extração no processo de desconstrução de casca de E. globulus visando a produção de polissacarídeos

Abstract

A biomassa florestal, como a casca de Eucalyptus globulus, é um sub-produto da indústria da pasta de papel cuja única utilização atual é a produção de energia. No entanto, devido à sua abundância e composição química que inclui maioritariamente polissacarídeos (essencialmente celulose e hemiceluloses) e lenhina, a casca tem vindo a ser estudada para a obtenção de frações ricas em polissacarídeos que têm diversas finalidades, como a sua conversão em soluções de açúcares simples. Contudo é necessário submeter os materiais lenhocelulósicos a pré-tratamentos ou desconstrução para melhorar o acesso dos polissacarídeos às enzimas, na hidrólise enzimática. A casca de E. globulus difere da madeira da mesma espécie essencialmente no seu elevado teor de extratáveis polares, nomeadamente compostos fenólicos, e material inorgânico. Estudos anteriores indicam que o cozimento kraft da casca requer condições de operação mais severas para atingir um grau de deslenhificação semelhante ao do cozimento da madeira. Verificaram-se também limitações à hidrólise enzimática da pasta de casca que não se encontram no caso da pasta de madeira da mesma espécie. O objetivo deste trabalho foi estudar o impacto da pré-extração da casca de E. globulus, segundo duas abordagens diferentes (uma com mistura etanol/água e outra com água), na desconstrução deste material lenhocelulósico por cozimento kraft e na hidrólise enzimática da pasta resultante, favorecendo a sua conversão em açúcares simples. Na pré-extração com etanol/água 81,5% dos extratáveis em etanol/tolueno presentes na casca foram removidos, enquanto que na abordagem com água removeram-se apenas 14,3%. Verificou-se que a pré-extração, em ambos os meios, não afetou significativamente o impacto do cozimento kraft nos polissacarídeos. No entanto, em termos da produção de açúcares simples, a hidrólise enzimática da pasta de casca previamente extraída com etanol/água produziu a solução final de açúcares mais concentrada, com 47,7 mg/mL, bem como a maior quantidade de açúcares redutores, 39,1 g, de entre as sequências de valorização estudadas. Esta pasta também apresentou a maior percentagem de conversão de polissacarídeos em açúcares, 71,7%, seguida da pasta de casca previamente extraída com água, 62,3%, relativamente à pasta de casca tal e qual, 50,8%, indicando que a pré-extração beneficia o processo de sacarificação. O balanço de massa global a cada sequência de valorização, permitiu concluir que a pré-extração com etanol/água, a 83ºC durante 264 minutos, seguida de cozimento kraft, com fator H 1114 e alcalinidade de 22%, apresenta o maior potencial de produção de açúcares, de cerca de 33 000 ton/ano considerando uma produção anual de casca de 100 000 ton numa fábrica de média dimensão

Forest biomass, like Eucalyptus globulus bark, is a by-product of the pulp and paper industry whose current singular use is energy production. However, due to its availability and chemical composition, which includes mostly polysaccharides (essentially hemicelluloses and cellulose) and lignin, bark has been the subject of many studies regarding the production of polysaccharides enriched fractions that have many applications, like its conversion into simple sugar solutions. However, it’s necessary that the lignocellulosic materials undergo pre-treatments or deconstruction processes to improve the polysaccharides access towards the enzymes, in enzymatic hydrolysis. The E. globulus bark differs from wood due to its high content of polar extractives, mainly phenolic compounds, and inorganic material. Previous studies show that bark’s kraft pulping requires more severe pulping conditions in order to achieve the same degree of delignification as the E. globulus wood kraft pulping. There were also reported limitations in bark’s enzymatic hydrolysis that weren’t found in wood. The purpose of this work was to study the impact of E. globulus bark pre-extraction, with two different approaches (with the mixture of ethanol/water and with water), in its deconstruction by kraft pulping and in the enzymatic hydrolysis of the resulting pulp, benefitting its conversing into simple sugars. Regarding the removal of extractives during the pre-extraction, using ethanol/water 81,5% of the ethanol/toluene extractives in E. globulus bark were removed, while using water the removal of extractives was only 14,3%. In relation to kraft pulping it was noticed that the pre-extraction, in both approaches, didn’t have a significant impact on the removal of polysaccharides during pulping. However, regarding the production of simple sugars, the enzymatic hydrolysis of ethanol/water extracted bark pulp produced the most concentrated sugar solution, with 47,7 mg/mL, as well as the biggest quantity of reducing sugars, 39,1 mg, from among the studied valorisation sequences. In this way, the ethanol/water extracted bark pulp had the highest conversion of polysaccharides into sugars, 71,7%, followed by the water extracted bark pulp, 62,3%, in relation to the initial bark pulp, 50,8%, indicating that the pre-extraction benefits the scarification process. Through the global mass balance of each process sequence it was concluded that the ethanol/water pre-extraction, at 83ºC for 264 minutes, followed by kraft pulping, with an H factor of 1114 and 22% active alkali, presents the highest sugar production, of about 33 000 tons/year, assuming an annual production of 100 000 tons of bark by a medium-sized industry