Produção de enzimas lignocelulolíticas e de bioetanol a partir de resíduos da palha de carnaúba (Copernicia prunifera) pré-tratados

Native to Brazil, Carnauba (Copernicia prunifera) has been used for several purposes, including the wax production from its leaves, in the process that generates a considerable amount of residue. This residue is characterized as a fiber rich in cellulose and therefore with potential latent for use a...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Silva, Francinaldo Leite da
Outros Autores: Santos, Everaldo Silvino dos
Formato: doctoralThesis
Idioma:por
Publicado em: Brasil
Assuntos:
Carnaúba
Pré-tratamentos
Enzimas celulases
Lignocelulose
SSF
Hidrólise enzimática
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS: BIOTECNOLOGIA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/24948
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Produção de enzimas lignocelulolíticas e de bioetanol a partir de resíduos da palha de carnaúba (Copernicia prunifera) pré-tratados
description Native to Brazil, Carnauba (Copernicia prunifera) has been used for several purposes, including the wax production from its leaves, in the process that generates a considerable amount of residue. This residue is characterized as a fiber rich in cellulose and therefore with potential latent for use as a source of carbon for the production of cellulolytic enzymes and bioethanol. However, the chemical structure of this material presents cellulose bound to structurally complex components, such as hemicellulose and lignin, which hinders the production of cellulases by filamentous fungi, as well as its enzymatic hydrolysis, being essential to use of a pre-treatment for the viability of these processes. The present study evaluated the effect of different pre-treatments on carnauba straw for the production of lignocellulolytic enzymes and for the enzymatic hydrolysis with a view to the production of cellulosic ethanol through the concepts of biorefinery and micro-distillery. In the first stage, carnauba straw residue was submitted to hydrothermal (HT), alkaline (AL), alkaline acid (AA) and alkaline hydrogen peroxide (A-HP) pre-treatments. The pretreated and untreated residues were chemically characterized according to the National Renewable Energy Laboratory (NREL) protocol and, physically, by Scanning Electron Microscopy (MEV), X-Ray Diffraction (XRD) and Spectroscopy of Infrared by Fourier Transform (FTIR). A part of each residue was used to produce enzymes by means of Solid State Fermentation (FES), using the fungus Trichoderma reesei CCT-2768. The FPAse, CMCase, β-glycosidase and xylanase activities of the extracts were estimated and the production was subsequently optimized. The other part of the residues was subjected to Saccharification and Simultaneous Fermentation (SSF) using commercial enzymes and Saccharomyces cerevisiae UFLA CA11, Saccharomyces cerevisiae CAT-1 and Kluyveromyces marxianus ATCC-36907. The results of the pretreatments AL, AA and A-HP stood out in terms of the removal of lignin, according to the chemical and physical analysis of the residues. The studies showed that pretreatment of carnauba straw with A-HP has a higher capacity to induce the production of lignocellulolytic enzymes when compared to other residues, such as coconut, cashew apple and sugar cane, pretreated by the same method. The optimization of the production of lignocellulolytic enzymes allowed the production of an enzymatic extract with FPase activity of 2.4 U/g and xylanases of 172 U/g. The application of the enzymatic extract in the hydrolysis of pretreated sugarcane bagasse showed efficiency of 86.96%. The use of AL pretreated carnauba residue in enzymatic hydrolysis, with commercial enzymes, showed a higher conversion of sugars (64.43%) and, when submitted to SSF, produced 7.53 g/L of ethanol, using Kluyveromyces marxianus ATCC-36907 cultured at 45 °C. The results showed, therefore, the biotechnological potential of the carnauba residue for the production of cellulolytic enzymes and the production of bioethanol by means of biorefinery and micro distillery.
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However, the chemical structure of this material presents cellulose bound to structurally complex components, such as hemicellulose and lignin, which hinders the production of cellulases by filamentous fungi, as well as its enzymatic hydrolysis, being essential to use of a pre-treatment for the viability of these processes. The present study evaluated the effect of different pre-treatments on carnauba straw for the production of lignocellulolytic enzymes and for the enzymatic hydrolysis with a view to the production of cellulosic ethanol through the concepts of biorefinery and micro-distillery. In the first stage, carnauba straw residue was submitted to hydrothermal (HT), alkaline (AL), alkaline acid (AA) and alkaline hydrogen peroxide (A-HP) pre-treatments. The pretreated and untreated residues were chemically characterized according to the National Renewable Energy Laboratory (NREL) protocol and, physically, by Scanning Electron Microscopy (MEV), X-Ray Diffraction (XRD) and Spectroscopy of Infrared by Fourier Transform (FTIR). A part of each residue was used to produce enzymes by means of Solid State Fermentation (FES), using the fungus Trichoderma reesei CCT-2768. The FPAse, CMCase, β-glycosidase and xylanase activities of the extracts were estimated and the production was subsequently optimized. The other part of the residues was subjected to Saccharification and Simultaneous Fermentation (SSF) using commercial enzymes and Saccharomyces cerevisiae UFLA CA11, Saccharomyces cerevisiae CAT-1 and Kluyveromyces marxianus ATCC-36907. The results of the pretreatments AL, AA and A-HP stood out in terms of the removal of lignin, according to the chemical and physical analysis of the residues. The studies showed that pretreatment of carnauba straw with A-HP has a higher capacity to induce the production of lignocellulolytic enzymes when compared to other residues, such as coconut, cashew apple and sugar cane, pretreated by the same method. The optimization of the production of lignocellulolytic enzymes allowed the production of an enzymatic extract with FPase activity of 2.4 U/g and xylanases of 172 U/g. The application of the enzymatic extract in the hydrolysis of pretreated sugarcane bagasse showed efficiency of 86.96%. The use of AL pretreated carnauba residue in enzymatic hydrolysis, with commercial enzymes, showed a higher conversion of sugars (64.43%) and, when submitted to SSF, produced 7.53 g/L of ethanol, using Kluyveromyces marxianus ATCC-36907 cultured at 45 °C. The results showed, therefore, the biotechnological potential of the carnauba residue for the production of cellulolytic enzymes and the production of bioethanol by means of biorefinery and micro distillery. Nativa do Brasil, a Carnaúba (Copernicia prunifera) tem sido utilizada para diversos fins, incluindo a produção de cera a partir de suas folhas, cujo processo gera uma quantidade considerável de resíduo, o qual se caracteriza como uma fibra rica em celulose e, portanto, com um potencial para uso como fonte de carbono para a produção de enzimas celulolíticas e etanol. A estrutura química desse material apresenta a celulose ligada a componentes estruturalmente complexos, como a hemicelulose e a lignina, o que dificulta a produção das celulases por fungos filamentosos, bem como, a sua hidrólise enzimática, sendo imprescindível a utilização de um pré-tratamento para a viabilização desses processos. O presente estudo avaliou o efeito de diferentes pré-tratamentos na palha de carnaúba para a produção de enzimas lignocelulolíticas e para a hidrólise enzimática com vistas à produção de etanol celulósico por meio dos conceitos de biorrefinaria e microdestilaria. Na primeira etapa deste trabalho, o resíduo da palha de carnaúba foi submetido aos pré-tratamentos hidrotérmico (HT), alcalino (AL), ácido alcalino (AA) e peróxido de hidrogênio alcalino (A-HP). Os resíduos pré-tratados e não tratado foram caracterizados quimicamente conforme o protocolo da National Renewable Energy Laboratory (NREL) e, fisicamente, por meio das análises de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Difração de Raio X (DRX) e Espectroscopia de Infravermelho Transformada de Fourier (FTIR). Uma parte de cada resíduo foi utilizada para produção de enzimas por meio de Fermentação em Estado Sólido (FES), utilizando o fungo Trichoderma reesei CCT-2768. As atividades FPAse, CMCase, β-glicosidase e xilanase dos extratos foram estimadas e a produção posteriormente otimizada. A outra parte dos resíduos foi submetida à Sacarificação e Simultânea Fermentação (SSF) com enzimas comerciais, utilizando as leveduras Saccharomyces cerevisiae UFLA CA11, Saccharomyces cerevisiae CAT-1 e Kluyveromyces marxianus ATCC-36907. Os resultados dos pré-tratamentos AL, AA e A-HP se destacaram em termos de remoção de lignina, segundo as análises química e física dos resíduos. Os estudos evidenciaram que o pré-tratamento da palha da carnaúba com A-HP possui maior capacidade de indução da produção de enzimas lignocelulolíticas ao se comparar com outros resíduos lignocelulósicos, como coco, caju e cana-de-açúcar, pré-tratados pelo mesmo método. A otimização da produção de enzimas lignocelulolíticas permitiu a produção de um extrato enzimático com atividade FPase de 2,4 U/g e xilanases de 172 U/g. A aplicação do extrato enzimático na hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado mostrou eficiência de 86,96%. A hidrólise enzimática, com enzimas comerciais, do resíduo da carnaúba submetido ao pré-tratamento AL, apresentou a maior conversão de açúcares (64,43%) e, ao ser submetido à SSF, produziu 7,53 g/L de etanol, usando Kluyveromyces marxianus ATCC-36907 cultivada a 45 °C. Os resultados evidenciam, portanto, o potencial biotecnológico do resíduo da carnaúba para a produção de enzimas celulolíticas e na obtenção de bioetanol em um arranjo de biorrefinaria e microdestilaria. 2018-03-23T12:33:28Z 2018-03-23T12:33:28Z 2017-12-19 doctoralThesis SILVA, Francinaldo Leite da. Produção de enzimas lignocelulolíticas e de bioetanol a partir de resíduos da palha de carnaúba (Copernicia prunifera) pré-tratados. 2017. 156f. Tese (Doutorado em Biotecnologia) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/24948 por Acesso Aberto application/pdf Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA

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