INFLUENCE OF PRETREATMENTS ON CRYSTALLINITY AND ENZYMATIC HYDROLYSIS IN SUGAR CANE RESIDUES

Flórez Pardo, Luz M.; Salcedo Mendoza, Jairo G.; López Galán, Jorge E.

doi:10.1590/0104-6632.20190361s20180093

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Brazilian Journal of Chemical Engineering

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Sumário

Bioprocess Engineering • Braz. J. Chem. Eng. 36 (1) • Jan-Mar 2019 • https://doi.org/10.1590/0104-6632.20190361s20180093 copy

INFLUENCE OF PRETREATMENTS ON CRYSTALLINITY AND ENZYMATIC HYDROLYSIS IN SUGAR CANE RESIDUES

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ABSTRACT

This research evaluated the effect of different delignification pretreatments (enzymatic and organosolv), on the crystallinity and enzymatic hydrolysis of harvested sugar cane residues. The Crystallinity Index (CrI), the Relative Number of Intensity (Ir), the degree of cellulose mercerization (IIC-%), and the Global Index of Saccharification (GIS) were used as measurement parameters for six different substrates obtained from sugar cane residues (tops and leaves) by different processes. In this characterization, the spectroscopic ty Techniques of Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction and scanning eElectron microscopy (SEM) were used. Substrates to which only organosolv pretreatment was applied, without any further treatment, presented good behavior for the enzymatic hydrolysis and a high CrI, possibly due to the increase of the crystallinity by elimination of amorphous material.

Key words:
Crystallinity index; Sugar cane; Organosolv pretreatment; Enzymatic hydrolysis

Substrate	Pretreatment	T (^oC)	Relation NaOH (w/v)	Time (min)	Reference
S1	Without pretreatment
S2	Enzyme Suberosa®	40		1380	Salcedo et al. (2011)Salcedo M., J. G., López-Galán, J.E., and Flórez-Pardo, L.M., Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (hojas y cogollos) de la cosecha de caña de azúcar. Dyna. 168, 182-190 (2011).; Bourbonnais et al. (1995)Bourbonnais, R., Paice, M.G., Reid, I.D., and Lanthier, R., Lignin Oxidation by Laccase Isozymes from Trametes versicolor and Role of the Mediator 2,2’-Azinobis(3-Ethylbenzthiazoline-6-Sulfonate) in Kraft Lignin Depolymerizatio. Applied and Environmental Microbiology. 65, p. 1876-1880 (1995).; Silva et al. (2002)Silva, R., Gonzáles, A., and Villar, J., Delignificación enzimática de pasta al sulfato de E. Globulus empleando lacasas fúngicas. Ciudad: Congreso Iberoamericano de Investigación en Celulosa y Papel, CIADICYP (2002).; Jong-Rok et al. (2008)Jong-Rok, J., Murugesan, K., Kim, Y., Kim, E., and Chang, Y., Synergistic effect of laccase mediators on entachlorophenol removal by Ganoderma lucidum laccase. Applied Microbiology and Biotechnology . 81, 783-790 (2008). https://doi.org/10.1007/s00253-008-1753-2 https://doi.org/10.1007/s00253-008-1753-...
S3	Organosolv	160	0.15	120	Salcedo et al. (2011)Salcedo M., J. G., López-Galán, J.E., and Flórez-Pardo, L.M., Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (hojas y cogollos) de la cosecha de caña de azúcar. Dyna. 168, 182-190 (2011)., Mutis (2010)Mutis D., Deslignificación de los residuos de cosecha de la caña de azúcar usando alcohol y soda como catalizador. Cali: Universidad del Valle (Trabajo de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico), Escuela de Ingeniería Química, 53 p., (2010)
S5	Organosolv	160	0.50	120	Salcedo et al. (2011)Salcedo M., J. G., López-Galán, J.E., and Flórez-Pardo, L.M., Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (hojas y cogollos) de la cosecha de caña de azúcar. Dyna. 168, 182-190 (2011)., Mutis (2010)Mutis D., Deslignificación de los residuos de cosecha de la caña de azúcar usando alcohol y soda como catalizador. Cali: Universidad del Valle (Trabajo de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico), Escuela de Ingeniería Química, 53 p., (2010)
S6	Organosolv	160	3	120	Salcedo et al. (2011)Salcedo M., J. G., López-Galán, J.E., and Flórez-Pardo, L.M., Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (hojas y cogollos) de la cosecha de caña de azúcar. Dyna. 168, 182-190 (2011)., Mutis (2010)Mutis D., Deslignificación de los residuos de cosecha de la caña de azúcar usando alcohol y soda como catalizador. Cali: Universidad del Valle (Trabajo de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico), Escuela de Ingeniería Química, 53 p., (2010)
S7	Organosolv	130	3	5	Salcedo et al. (2011)Salcedo M., J. G., López-Galán, J.E., and Flórez-Pardo, L.M., Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (hojas y cogollos) de la cosecha de caña de azúcar. Dyna. 168, 182-190 (2011)., Mutis (2010)Mutis D., Deslignificación de los residuos de cosecha de la caña de azúcar usando alcohol y soda como catalizador. Cali: Universidad del Valle (Trabajo de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico), Escuela de Ingeniería Química, 53 p., (2010)
S8	Organosolv	120	3	20	Salcedo et al. (2011)Salcedo M., J. G., López-Galán, J.E., and Flórez-Pardo, L.M., Evaluación de enzimas para la hidrólisis de residuos (hojas y cogollos) de la cosecha de caña de azúcar. Dyna. 168, 182-190 (2011)., Mutis (2010)Mutis D., Deslignificación de los residuos de cosecha de la caña de azúcar usando alcohol y soda como catalizador. Cali: Universidad del Valle (Trabajo de Grado para optar al Título de Ingeniero Químico), Escuela de Ingeniería Química, 53 p., (2010)

	S1	S2	S3	S5	S6	S7	S8
Cellulose	37.4±1.4	44.5±0.9	80.5±0.2	82.4±0.4	82.6±0.8	71.9±0.4	77.4±0.2
Hemicellulose	34.6±0.8	37.3±0.4	13.4±0.6	3.0±0.05	7.4±0.06	10.9±0.08	10.4±0.2
Total lignin	21.2±0.04	12.5±1.58	1.4±0.04	7.9±0.25	4.8±0.5	10.8±0.4	6.6±0.3
Extractives	3.9±0.03	5.1±0.06	4.2±0.01	9.0±0.2	5.1±0.01	4.7±0.02	6.5±0.04
Humidity (b.h)	3.9±0.8	5.1±0.7	4.2±0.4	8.9±0.02	5.1±0.10	6.4±0.1	4.7±0.07
Ash	1.1±0.04	0.7±0.05	0.1±0.03	1.4±0.02	0.2±0.01	1.6±0.04	0.54±0.02
Residual lignin	7.1±0.1	7.2±0.06	0.9±0.1	1.9±0.18	1.8±0.15	2.8±0.14	2.2±0.11
No Kappa*	47±0.3	38.6±0.5	5.9±0.3	27.4±0.3	6.2±0.2	16.8±0.4	13.2±0.4

Intensity Absorbance cm^-1	S1	S2	S3	S5	S6	S7	S8
Absorbance at 1730 cm^-1: (C = O) stretching C = O not conjugated to the aromatic ring	0.054	0.054	0.021	0.013	0	0.034	0
Absorbance at 1427 cm^-1: C-H . CH₂ Vibrations	0.058	0.041	0.047	0.00069	0.02	0.00069	0.076
Absorbance at 1327 cm^-1: C-H₂. CH syringyl ring emissions	0.082	0.068	0.074	0.037	0.044	0.0418	0.024
Absorbance at 1315 cm^-1: C-H₂. CH vibrations	0.081	0.071	0.08	0.044	0.058	0.048	0.032
Absorbance at 2916 cm^-1: Stretching - CH methyl and methylene groups	0.096	0.057	0.057	0.032	0.028	0.039	0.0025
Absorbance at 2848 cm^-1: saturated OH bonds	0.084	0.054	0.058	0.036	0.035	0.041	0.0098
Absorbance at 1242 cm^-1: C-O syringyl ring bonds	0.115	0.115	0.049	0,029	0.036	0.026	0.0149

Substrates	S1	S2	S3	S5	S6	S7	S8
Residual lignin	7.12	7.8	0.92	1.93	1.8	2.8	2.2
Kappa number	47	38.56	5.85	27.39	6.21	16.87	13.24
CrI	41.41	46.76	62.17	56.54	64.24	57.85	58.61
CII-%	100.00	77.39	13.29	35.89	0.00	33.77	53.74
Ir	0.40	46.76	0.32	0.34	0.31	0.34	0.36
GIS	1.013	0.655	77.78	56.34	82.09	67.14	56.24

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[1] Corresponding author: Jairo G. Salcedo Mendoza - E-mail: jairo.salcedo@unisucre.edu.co