189
Portugal, Direcção-Geral de Hidráulica e Engenharia Agrícola
1980
Avaliação do potencial de produção de etanol de 2ª geração a partir dos resíduos das podas do olival
Type
doctoralThesis
Identifier
101319932
Title
Avaliação do potencial de produção de etanol de 2ª geração a partir dos resíduos das podas do olival
Contributor
Duarte, Ana Paula
Subject
Poda do olival
Etanol de 2.ª geração
Pré-tratamento
Hidrólise enzimática
Pruning of olive groves
2nd generation ethanol
Pretreatment
Enzymatic hydrolysis
Etanol de 2.ª geração
Pré-tratamento
Hidrólise enzimática
Pruning of olive groves
2nd generation ethanol
Pretreatment
Enzymatic hydrolysis
Date
2013-12-09T12:56:43Z
2013-12-09T12:56:43Z
2013
2013-08
2013-12-09T12:56:43Z
2013
2013-08
Description
Tese apresentada à Universidade da Beira Interior para obtenção do grau de Doutor em Química.
Os resíduos das podas do olival constituem um resíduo agrícola largamente disponível em Portugal. Estima-se que as quantidades de material produzido anualmente nas podas do Olival possam ascender a 290 000 toneladas por ano. Este material, sem qualquer utilização comercial até ao presente, pode assim ser valorizado servindo como matéria-prima para a produção de etanol de segunda geração. Este processo exige a realização de três etapas sequenciais: pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação. O objectivo do presente trabalho consiste em avaliar o potencial de produção de etanol de segunda geração com base na libertação de açúcares resultante de diferentes pré-tratamentos e da hidrólise enzimática subsequente. Neste trabalho foram testados quatro pré-tratamentos: 1) com ácido sulfúrico diluído [temperatura: 60 a 180 º C, tempo: 30 a 120 minutos e concentração de H2SO4: 0,50 a 5,00% (w/w)], 2) com hidróxido de sódio [temperatura: 40 a 140 °C, tempo: 20 a 120 minutos e concentração de NaOH: 0,31 a 61,9 % (w/w)], 3) com hidróxido de sódio e peróxido de hidrogénio [tempo de 45 minutos, temperatura: 40 a 140 °C, concentração de NaOH: 0,31 a 6,19% (w / w) e concentração de H2O2: 0,31 a 6,19% (w/w)] e 4) com amoníaco [temperatura: 50 a 100 º C, tempo: 60 a 480 minutos e concentração de NH3: 1,00 a 15,00% (w/w)]. Os ensaios de hidrólise enzimática nos resíduos sólidos dos pré-tratados foram realizados com uma concentração de sólidos de 5% (w/v), em tampão citrato 50mM com pH de 4,8 e com uma concentração de BSA de 60mg/g de biomassa seca. A mistura de reacção foi incubada a 50ºC, durante 174h, num agitador orbital com agitação de 150rpm. Para a hidrólise enzimática foram utilizados três complexos enzimáticos comerciais da Novozymes (Dinamarca), NS22086 (complexo de celulases – 148FPU/ml), NS22118 (b-glucosidase - 426 p-NPGU/ml) e NS22083 (Xilanase – 7498 IU/ml) tendo sido testadas duas cargas enzimáticas 6FPU/g de substrato, 18 p-NPGU/g de substrato, 18 IU/g de substrato e 18FPU/g de substrato, 36 p-NPGU/g de substrato, 36 IU/g de substrato. A biomassa utilizada apresentou uma composição em hidratos de carbono de 51,25% sendo a glucose o principal constituinte com 33,59%. Os teores de lenhina e extractáveis determinados na biomassa foram respectivamente de 24,96% e 15,84%. O pré-tratamento realizado com ácido sulfúrico com uma concentração de 4,09% (w/w), durante 102 minutos e com uma temperatura de 156ºC apresentou um rendimento de 84%na hidrólise enzimática realizada com 18FPU/g de substrato, 36 p-NPGU/g de substrato e 36 IU/g de substrato. Nestas condições atingiu-se a maior taxa de açúcares disponíveis para fermentação, correspondendo a soma dos açúcares libertados para o hidrolisado durante o pré-tratamento com os açúcares libertados durante a hidrólise enzimática, a 90% dos açúcares existentes na biomassa.
Abstract: Waste from pruning of olive grove is a largely agricultural residue available in Portugal. It is estimated that the quantity of material produced annually in the olive pruning may amount to 290 000 tons per year. This material without any commercial use, up to present, can be used as a raw material for the production of second generation ethanol. This process requires the completion of three sequential steps: pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. The aim of this study is to evaluate the potential production of second generation ethanol based on the release of sugars resulting from different pretreatments and subsequent enzymatic hydrolysis. In this work, 4 pretreatments were tested: 1) with dilute sulfuric acid [temperature: 60 to 180 º C, time: 30 to 120 minutes and H2SO4 concentration: 0,50 to 5,00% (w/w)], 2) with sodium hydroxide [temperature: 40 to 140 °C, time: 20 to 120 minutes and NaOH concentration: 0,31 to 61,9 % (w/w)], 3) with sodium hydroxide and hydrogen peroxide [time:45 minutes, temperature: 40 to 140 °C, NaOH concentration: 0,31 to 6,19% (w / w) and H2O2 concentration: 0,31 to 6,19% (w/w)] and 4) with ammonia [temperature: 50 to 100 º C, timeo: 1 to 8 hours and NH3 concentration: 1,00 a 15,00% (w/w)]. Enzymatic hydrolysis experiments on pretreated solid fraction were performed at 5% (w/v) solid concentration in 50 mM citrate buffer with pH 4.8 and a BSA concentration of 60 mg/g dry biomass. The reaction mixture was incubated at 50ºC for 168 h in an orbital shaker with agitation at 150 rpm. Three commercial enzyme preparations from Novozymes (Denmark), NS22086 (cellulase complex – 148FPU/ml), NS22118 (b-glucosidase - 426 p-NPGU/ml) and NS22083 (Xylanase – 7498 IU/ml), were used in enzymatic hydrolysis. Two enzyme concentrations were tested: 6FPU enzyme/g of substrate, p-NPGU 18/g of substrate, 18 IU/g substrate and 18FPU/g of substrate, p-NPGU 36/g of substrate, 36 IU/g of substrate. Total carbohydrate content of the initial biomass was 51.25%, in which glucose was the major constituent with 33.59%. Contents of lignin and extractable found in biomass were 24.96% and 15.84%, respectively. The pre-treatment carried out with sulfuric acid with a H2SO4 concentration of 4.09% (w / w) for 102 minutes at a temperature of 156 °C, performed with 18FPU / g of substrate, 36 p-NPGU / g substrate and 36 IU / g of substrate, has presented a enzymatic hydrolysis yield of 84%. In these conditions, 90% of sugars were available for fermentation, corresponding this value to the sum of the sugars released into the hydrolyzate during the pre-treatment with the sugars released during enzymatic hydrolysis.
Os resíduos das podas do olival constituem um resíduo agrícola largamente disponível em Portugal. Estima-se que as quantidades de material produzido anualmente nas podas do Olival possam ascender a 290 000 toneladas por ano. Este material, sem qualquer utilização comercial até ao presente, pode assim ser valorizado servindo como matéria-prima para a produção de etanol de segunda geração. Este processo exige a realização de três etapas sequenciais: pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação. O objectivo do presente trabalho consiste em avaliar o potencial de produção de etanol de segunda geração com base na libertação de açúcares resultante de diferentes pré-tratamentos e da hidrólise enzimática subsequente. Neste trabalho foram testados quatro pré-tratamentos: 1) com ácido sulfúrico diluído [temperatura: 60 a 180 º C, tempo: 30 a 120 minutos e concentração de H2SO4: 0,50 a 5,00% (w/w)], 2) com hidróxido de sódio [temperatura: 40 a 140 °C, tempo: 20 a 120 minutos e concentração de NaOH: 0,31 a 61,9 % (w/w)], 3) com hidróxido de sódio e peróxido de hidrogénio [tempo de 45 minutos, temperatura: 40 a 140 °C, concentração de NaOH: 0,31 a 6,19% (w / w) e concentração de H2O2: 0,31 a 6,19% (w/w)] e 4) com amoníaco [temperatura: 50 a 100 º C, tempo: 60 a 480 minutos e concentração de NH3: 1,00 a 15,00% (w/w)]. Os ensaios de hidrólise enzimática nos resíduos sólidos dos pré-tratados foram realizados com uma concentração de sólidos de 5% (w/v), em tampão citrato 50mM com pH de 4,8 e com uma concentração de BSA de 60mg/g de biomassa seca. A mistura de reacção foi incubada a 50ºC, durante 174h, num agitador orbital com agitação de 150rpm. Para a hidrólise enzimática foram utilizados três complexos enzimáticos comerciais da Novozymes (Dinamarca), NS22086 (complexo de celulases – 148FPU/ml), NS22118 (b-glucosidase - 426 p-NPGU/ml) e NS22083 (Xilanase – 7498 IU/ml) tendo sido testadas duas cargas enzimáticas 6FPU/g de substrato, 18 p-NPGU/g de substrato, 18 IU/g de substrato e 18FPU/g de substrato, 36 p-NPGU/g de substrato, 36 IU/g de substrato. A biomassa utilizada apresentou uma composição em hidratos de carbono de 51,25% sendo a glucose o principal constituinte com 33,59%. Os teores de lenhina e extractáveis determinados na biomassa foram respectivamente de 24,96% e 15,84%. O pré-tratamento realizado com ácido sulfúrico com uma concentração de 4,09% (w/w), durante 102 minutos e com uma temperatura de 156ºC apresentou um rendimento de 84%na hidrólise enzimática realizada com 18FPU/g de substrato, 36 p-NPGU/g de substrato e 36 IU/g de substrato. Nestas condições atingiu-se a maior taxa de açúcares disponíveis para fermentação, correspondendo a soma dos açúcares libertados para o hidrolisado durante o pré-tratamento com os açúcares libertados durante a hidrólise enzimática, a 90% dos açúcares existentes na biomassa.
Abstract: Waste from pruning of olive grove is a largely agricultural residue available in Portugal. It is estimated that the quantity of material produced annually in the olive pruning may amount to 290 000 tons per year. This material without any commercial use, up to present, can be used as a raw material for the production of second generation ethanol. This process requires the completion of three sequential steps: pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. The aim of this study is to evaluate the potential production of second generation ethanol based on the release of sugars resulting from different pretreatments and subsequent enzymatic hydrolysis. In this work, 4 pretreatments were tested: 1) with dilute sulfuric acid [temperature: 60 to 180 º C, time: 30 to 120 minutes and H2SO4 concentration: 0,50 to 5,00% (w/w)], 2) with sodium hydroxide [temperature: 40 to 140 °C, time: 20 to 120 minutes and NaOH concentration: 0,31 to 61,9 % (w/w)], 3) with sodium hydroxide and hydrogen peroxide [time:45 minutes, temperature: 40 to 140 °C, NaOH concentration: 0,31 to 6,19% (w / w) and H2O2 concentration: 0,31 to 6,19% (w/w)] and 4) with ammonia [temperature: 50 to 100 º C, timeo: 1 to 8 hours and NH3 concentration: 1,00 a 15,00% (w/w)]. Enzymatic hydrolysis experiments on pretreated solid fraction were performed at 5% (w/v) solid concentration in 50 mM citrate buffer with pH 4.8 and a BSA concentration of 60 mg/g dry biomass. The reaction mixture was incubated at 50ºC for 168 h in an orbital shaker with agitation at 150 rpm. Three commercial enzyme preparations from Novozymes (Denmark), NS22086 (cellulase complex – 148FPU/ml), NS22118 (b-glucosidase - 426 p-NPGU/ml) and NS22083 (Xylanase – 7498 IU/ml), were used in enzymatic hydrolysis. Two enzyme concentrations were tested: 6FPU enzyme/g of substrate, p-NPGU 18/g of substrate, 18 IU/g substrate and 18FPU/g of substrate, p-NPGU 36/g of substrate, 36 IU/g of substrate. Total carbohydrate content of the initial biomass was 51.25%, in which glucose was the major constituent with 33.59%. Contents of lignin and extractable found in biomass were 24.96% and 15.84%, respectively. The pre-treatment carried out with sulfuric acid with a H2SO4 concentration of 4.09% (w / w) for 102 minutes at a temperature of 156 °C, performed with 18FPU / g of substrate, 36 p-NPGU / g substrate and 36 IU / g of substrate, has presented a enzymatic hydrolysis yield of 84%. In these conditions, 90% of sugars were available for fermentation, corresponding this value to the sum of the sugars released into the hydrolyzate during the pre-treatment with the sugars released during enzymatic hydrolysis.
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