Extraction and characterization of hemicelluloses from Pinus radiata and its feasibility for bioethanol production

Abstract

Galactoglucomannans are the major hemicellulosic fraction present in softwoods, and is mainly composed by the hexoses: galactose, glucose and mannose. The efficient and selective isolation of these hemicelluloses is regarded as one of the most critical obstacles to overcome for their utilization. The objective of the current work was to extract and characterize acidic and neutral aqueous solutions of hemicelluloses from Pinus radiata wood chips and investigate their feasibility for bioethanol production. Hemicelluloses in P. radiata represented 26 g/100 g wood (o.d.w.) and hexoses are responsible for approximately 64% of this amount. According to the different extraction conditions, approximately 50% of the hemicellulosic fraction was solubilized and recovered after precipitation with ethanol. The recovered hemicellulosic fractions were in the form of oligomers with weight-average molecular weigth (Mw) varying from 4x103 to 4x105 g/mol. Hemicellulosic oligomers were hydrolyzed with dilute sulfuric acid and the hydrolysates concentrated until approximately 70 g/L of hexoses and fermented by Saccharomyces cerevisiae yeast. Fermentation results showed that sugar obtained from acid and neutral extractions were fermented to ethanol with maximum yields of 63% and 54% (22 g/ L and 19 g/L), respectively. The conversion of wood hemicellulosic substrates to ethanol is feasible but the low ethanol yields obtained make the process not economically attractive and optimization of the process or alternatives uses for hemicelluloses should be evaluated.

As galactoglucomananas são as principais frações de hemiceluloses presentes nas madeiras moles e contêm, principalmente, as hexoses galactose, glicose e manose. O isolamento eficiente e seletivo dessas hemiceluloses é um obstáculo crítico a superar para sua utilização. Os objetivos deste trabalho foram extrair e caracterizar soluções aquosas ácidas e neutras de hemiceluloses de cavacos de madeira de Pinus radiata, bem como avaliar sua viabilidade para a produção de bioetanol. As hemiceluloses em P. radiata representam 26 g/100 g de madeira (base seca), e as hexoses são responsáveis por aproximadamente 64% dessa quantidade. De acordo com as diferentes condições de extração, cerca de 50% da fração hemicelulósica foi solubilizada e recuperada depois de uma precipitação com etanol. As frações recuperadas de hemiceluloses estavam na forma de oligômeros com peso molecular médio (Mw) variando entre 4x10 3 e 4x105 g/mol. Os oligômeros hemicelulósicos foram hidrolisados com ácido sulfúrico diluído e os hidrolisados concentrados até aproximadamente 70 g/L hexosas e fermentados pela levedura Saccharomyces cerevisiae. Os resultados de fermentação indicaram que os açúcares obtidos dos extratos ácidos e neutros foram fermentados com rendimentos máximos de etanol de 63% e 54% (22 g/L e 19 g/L), respectivamente. A conversão de hemiceluloses da madeira em etanol é viável, porém seu baixo rendimento faz que o processo não seja economicamente atrativo, razão por que melhorias no processo ou usos alternativos das hemiceluloses devem ser avaliados.