BackgroundSugarcane is used worldwi

Background
Sugarcane is used worldwide as a feedstock for ethanol and sugar production. In Brazil, for instance, circa 570 million tons of sugarcane were produced in 2009 [1]. After sugarcane is milled for juice extraction, bagasse is obtained as a residue, which corresponds to about 25% of the total weight and contains 60% to 80% of carbohy- drates [2]. The fermentation of these carbohydrates could significantly improve bioethanol productivity and sustain- ability but, instead, bagasse is discarded as agricultural waste or burned for energy supply in sugar and ethanol mills [2-5]. Both alternatives are, however, pollutant and inefficient in making use of the chemical energy available in the biomass [6,7].
Fractionation of bagasse components and their conver- sion to fermentable sugars is essential in enabling this renewable feedstock to be used for biofuel production [4,8]. Similarly to other plant cell walls, sugarcane bagasse is mainly formed by two carbohydrate fractions (cellulose and hemicellulose) embedded in a lignin matrix. Lignin is a phenolic macromolecule, resistant to enzyme attack and degradation, and thus its content and distribution are recognized as the most important factors determining cell wall recalcitrance to hydrolysis [3,4,9,10].
Pretreatment technologies applied to lignocellulosic sub- strates are necessary to decrease this recalcitrance and to improve the yields of monomeric fermentable sugars that are liberated by enzymatic hydrolysis [4,11]. Different pre- treatment methods have singular action mechanisms. They may decrease cellulose crystallinity and/or the degree of polymerization, increase accessible surface areas or selectively remove hemicellulose and lignin from the lig- nocellulosic matrix. An effective pretreatment strategy should also minimize carbohydrate degradation and the production of enzyme inhibitors and toxic products for fermenting microorganisms [10,12].
A variety of pretreatments have been applied to different
lignocellulosic matrices [8,11]. These include physical pro- cesses such as milling [13,14] and irradiation [10,15]; phy- sical-chemical treatments, using hot water and/or steam explosion [9,16], ammonia explosion [17], organic and ionic solvents [18,19], supercritical fluids [20,21], diluted acids and/or bases [2,6,22], sulfite [23,24] and nitroben- zene and copper [25]; and, finally, biological pretreatments using bacteria and fungi [26,27].
Chemical pretreatments using acid are considered effec-
tive and economical [28]. Acids hydrolyze hemicellulose and produce a liquid phase rich in xylose, with minor amounts of lignin derivatives. Thus it is an outstanding method for hemicellulose recovery [29,30], and it has been successfully applied to sugarcane bagasse [31,32]. Geddes and collaborators compared sulfuric and phosphoric acid efficiency in dissolving hemicellulose from sugarcane bagasse and obtained similar maximum sugar yields for
both acids (257 g of sugar per kilogram of bagasse and 246 g of sugar per kilogram of bagasse, respectively) at a 1% concentration (145°C, 1 h) [31]. High yields of hemicellu- lose removal (up to 90%) with only 15% of cellulose loss were also obtained by Rocha et al. on sugarcane bagasse, using a mixture of sulfuric and acetic acids [32].
Alkali treatments were initially used to increase bio-
mass digestibility for animal feeding. Diluted alkali solu- tions lead to the disruption of lignocellulosic cell walls by dissolving hemicellulose, lignin and silica, by hydrolyzing uronic and acetic acid esters and by swelling cellulose [3,7]. Lignin decomposition is usually attributed to the cleavage of the a-aryl ether bonds from its polyphenolic monomers, while hemicellulose dissolution and cellulose swelling are a consequence of hydrogen bond weakening [7]. Sodium hydroxide (NaOH) presents the greatest degradation and subsequent fermentation yields when compared to other alkalis, such as sodium carbonate, ammonium hydroxide, calcium hydroxide and hydrogen
peroxide [33,34]. Rodríguez-Vázquez et al. [33] used a NaOH solution to treat the pith component of sugarcane bagasse (0.2 g of NaOH per pith gram), obtaining a maxi- mum digestibility of 71% at 92°C.
In the present work, a consecutive two-step pretreat- ment was applied to sugarcane bagasse samples. It included an acid step aimed predominantly at removing hemicellulose, followed by an alkaline treatment with NaOH to remove lignin. A similar procedure was pre- viously applied to sugarcane bagasse by our research group to test the hydrolysis efficiency of different enzy- matic cocktails, and hydrolysis yields up to 97% were obtained [35]. In this paper, we describe the morphology and crystallinity of sugarcane bagasse during pretreatment and their relation to chemical composition and to the experimental hydrolysis yields. Although comprehensive chemical characterization of decomposition products have been undertaken for various plant species, very few studies focus on examining their morphology and physical chem- istry properties during degradation. This is, however, essential for improving pretreatment strategies and for understanding sample susceptibility under enzyme attack [4,5,36].

Kết quả (Việt) 1:

NềnMía được sử dụng trên toàn thế giới như một nguyên liệu cho sản xuất ethanol và đường. Tại Brazil, ví dụ, khoảng năm 570 triệu tấn của mía được sản xuất trong năm 2009 [1]. Sau khi mía là xay để khai thác nước trái cây, bã mía thu được như là một dư lượng, mà tương ứng với khoảng 25% tổng khối lượng và chứa 60% đến 80% của carbohy-drates [2]. Sự lên men của các carbohydrate có thể cải thiện đáng kể sản xuất cồn nhiên liệu và khả năng duy trì nhưng, thay vào đó, bã mía loại bỏ như là chất thải nông nghiệp hoặc đốt cháy để cung cấp năng lượng trong các nhà máy đường ethanol [2-5]. Cả hai lựa chọn thay thế là, Tuy nhiên, chất gây ô nhiễm và không hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng hóa học có sẵn trong nhiên liệu sinh học [6,7].Phân bã mía thành phần và của họ conver-sion để fermentable đường là điều cần thiết trong việc cho phép này nguyên liệu tái tạo được sử dụng cho sản xuất nhiên liệu sinh học [4,8]. Tương tự như vậy để các thành tế bào thực vật, bã mía chủ yếu được hình thành bởi hai carbohydrate phân số (cellulose và hemicellulose) nhúng trong một ma trận lignin. Lignin là một macromolecule phenolic, khả năng chống enzym tấn công và suy thoái, và do đó nội dung và phân phối của nó được công nhận là những yếu tố quan trọng nhất xác định bào tỏ để thủy phân [3,4,9,10].Tiền xử lý công nghệ áp dụng cho lignocellulo sub-strates là cần thiết để giảm này tỏ và nâng cao sản lượng monomeric đường fermentable được giải phóng bởi enzym thủy phân [4,11]. Phương pháp điều trị khác nhau trước khi có cơ chế số ít hành động. Họ có thể giảm cellulose crystallinity và/hoặc mức độ trùng hợp, tăng khu vực bề mặt có thể truy cập hoặc có chọn lọc loại bỏ hemicellulose và lignin từ ma trận lig-nocellulosic. Một chiến lược tiền xử lý có hiệu quả cũng sẽ giảm thiểu sự thoái hóa carbohydrate và sản xuất chất ức chế enzyme, các sản phẩm độc hại cho lên men vi sinh vật [10,12].Một loạt các pretreatments đã được áp dụng cho khác nhauma trận lignocellulo [8,11]. Chúng bao gồm các pro-cesses vật lý như nghiền [13,14] và chiếu xạ [10,15]; sical-PHY hóa chất phương pháp điều trị, bằng cách sử dụng nước nóng và/hoặc hơi nổ [9,16], amoniac nổ [17], dung môi hữu cơ và ion [18,19], siêu tới hạn chất lỏng [20,21], pha loãng axít và/hoặc cơ sở [2,6,22], sunfit [23,24] và nitroben-với và đồng [25]; và, cuối cùng, sinh học pretreatments sử dụng vi khuẩn và nấm [26,27].Hóa học pretreatments, bằng cách sử dụng axit được coi là effec-hoạt động cùng và kinh tế [28]. Axit hydrolyze hemicellulose và sản xuất một giai đoạn chất lỏng phong phú trong xylose, với một lượng nhỏ của lignin derivatives. Do đó nó là một phương pháp nổi bật để phục hồi hemicellulose [29,30], và nó đã được áp dụng thành công để rạ bã cây mía [31,32]. Geddes và cộng tác viên so sulfuric và axít phốtphoric hiệu quả trong hòa tan hemicellulose từ bã mía và thu được đường tương tự như tối đa sản lượng chocả hai axit (257 g đường mỗi kg bã mía và 246 g đường một kg của rạ bã cây, tương ứng) tại một nồng độ 1% (145° C, 1 h) [31]. Cao sản lượng của hemicellu - giảm loại bỏ (lên đến 90%) với chỉ có 15% cellulose mất cũng đã thu được bởi Rocha et al. trên bã mía, bằng cách sử dụng một hỗn hợp của axít sulfuric và axetic [32].Phương pháp điều trị kiềm ban đầu được sử dụng để tăng sinh học-khối lượng tiêu hóa động vật nuôi. Pha loãng kiềm solu-tions dẫn đến sự gián đoạn của lignocellulo thành tế bào bằng cách hòa tan hemicellulose, lignin và silica, chế Este uronic và axit axetic và sưng cellulose [3,7]. Lignin phân hủy thường quy cho cát khai của trái phiếu ête một chức từ monome polyphenol của nó, trong khi hemicellulose giải thể và cellulose sưng là một hệ quả của liên kết hydro làm suy yếu [7]. Hiđrôxít natri (NaOH) trình bày suy thoái lớn nhất và sau đó lên men sản lượng khi so sánh với các chất kiềm, chẳng hạn như natri cacbonat, amoni hydroxit, canxi hydroxit và hiđrôperoxide [33,34]. Rodríguez-Vázquez et al. [33] sử dụng một giải pháp NaOH để điều trị các thành phần ruột cây của rạ bã cây mía (cách 0.2 g của NaOH mỗi gam ruột cây), lấy một tiêu hóa maxi-mẹ của 71% ở 92° C.Trong công việc hiện tại, một liên tiếp hai bước pretreat-ment được áp dụng cho mẫu bã mía. Nó bao gồm một bước axit nhằm mục đích chủ yếu là việc loại bỏ hemicellulose, theo sau là một điều trị kiềm với NaOH để loại bỏ lignin. Một thủ tục tương tự là viously trước khi áp dụng cho rạ bã cây mía bởi nhóm nghiên cứu của chúng tôi để kiểm tra hiệu quả thủy phân loại khác nhau enzy - matic cocktail, và thủy phân ra lên đến 97% đã thu được [35]. Trong bài này, chúng tôi mô tả hình thái học và crystallinity của rạ bã cây mía trong pretreatment và các quan hệ thành phần hóa học và sản lượng thủy phân thực nghiệm. Mặc dù toàn diện đặc tính hóa học của phân hủy sản phẩm đã được thực hiện cho các loài thực vật khác nhau, rất ít nghiên cứu tập trung vào kiểm tra của hình thái học và tính chất vật lý chem-istry trong suy thoái. Đây là, Tuy nhiên, cần thiết cho việc cải thiện chiến lược tiền xử lý và cho sự hiểu biết mẫu tính nhạy cảm bị enzym tấn công [4,5,36].