Avaliação do desempenho de microorganismos na destoxicação de hidrolisado hemicelulósico e na remoção de lignina de bagaço de cana-de-açúcar para a produção de etanol

• Main Author: Bruna Caroline Marques Gonçalves
• Other Authors: Silvio Silverio da Silva
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2016
• Subjects: Bagaço de cana-de-açúcar; Biocombustível; Biodeslignificação; Biodestoxificação; Etanol; Biodelignification; Biodetoxification; Biofuel; Ethanol; Sugarcane bagasse
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/97/97132/tde-13092016-105229/

As preocupações com o meio ambiente têm impulsionado o desenvolvimento de tecnologias verde para a produção de etanol de segunda geração (2G), com o intuito de aumentar a produção mundial de etanol e reduzir o uso de combustíveis fósseis. Além disso, o uso de processos biológicos para a obtenção de etanol 2G minimizam a geração de resíduos tóxicos e o uso de energia, reduzindo os custos do processo. O objetivo deste trabalho foi avaliar os processos de biodeslignificação do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) (etapa 1) e biodestoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar (HHBCA) (etapa 2) na produção de etanol celulósico e hemicelulósico. Inicialmente foi explorado o potencial de remoção de lignina presente no BCA por seis isolados fúngicos (JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-A12, JLS6-F6, JLS6-G4 and JLS6-H9) e uma cepa de Streptomyces (JLS3-C3), visando o aumento da acessibilidade aos açúcares fermentescíveis. Foram utilizados o planejamento fatorial fracionário 24-1 e o arranjo ortogonal de Taguchi L8 para avaliar o impacto de parâmetros físicos e nutricionais na atividade das enzimas hidrolíticas e ligninolíticas e transformação da lignina durante 21 dias. Como segundo passo foi utilizado o pré-tratamento com ácido diluído para a obtenção do HHBCA, rico em pentoses. Os parâmetros nuticionais para a biodestoxificação do HHBCA foram avaliados utilizando o modelo Box and Behnken 23. As cepas JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-F6 and JLS6-A12 apresentaram alta capacidade de síntese da enzima xilanase, que foi reduzida (de 30 U/mg para 5 U/mg) com o auxílio do planejamento fatorial fracionário 24-1 na condição otimizada (BCA moído e umedecido, pH 8,5, agitação de 100 rpm durante 14 dias). A cepa JLS6-A6 apresentou alto potencial de síntese da enzima manganês peroxidase, destacando-se entre as outras estirpes. A condição de sacarificação ótima identificada por meio do arranjo ortogonal de Taguchi foi pH 8,5 e BCA umedecido. O valor de YP/S obtido após a fermentação dos açúcares liberados a partir do BCA moído e pré-tratado (YP/S = 0,45 g de etanol celulósico/g) foi 2,14 vezes mais elevado do que o obtido para o BCA não moído e pré-tratado, e 1,29 vezes mais elevado do que o BCA moído e não pré-tratado durante o processo de sacarificação e fermentação simultâneas. A levedura Issatchenkia occidentalis Y1´a foi capaz de crescer no HHBCA não suplementado, utilizando ácido acético como fonte de energia. A etapa de fermentação (30oC, 150 rpm, 24 h) foi bem sucedida com uma produção volumétrica (YP/S) de 0,26 g de etanol hemicelulósico/g e produtividade (QP) de 0,14 g/Lh pela levedura Candida shehatae UFMG 52.2. Estes resultados confirmam o potencial de processos biológicos relacionados com a produção de etanol 2G. Além disso, JLS6-A6 e I. occidentalis Y1\'a são cepas promissoras no pré-tratamento biológico do BCA e destoxificação biológica do HHBCA, respectivamente. Desta forma, este trabalho contribuirá com o desenvolvimento da produção de etanol celulósico e hemicelulósico proporcionando a integração da produção do etanol de primeira e 2G. === Environmental concerns have driven the development of green technologies towards second-generation ethanol (2G) production in order to increase the global production of ethanol and to minimize usage of fossil fuels Furthermore, the use of biological processes through the steps required to obtain 2G bioethanol reduces the generation of residues, some of which are toxic to the environment, and the need for energy usage, reducing the overall costs of the process. The objective of this study was to evaluate the influence of the biodelignification of the sugarcane bagasse (SCB) (step 1) and the sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate (SCBHH) biodetoxification (step 2) for the production of cellulosic and hemicellulosic ethanol. Firstly, six fungal strains (JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-A12, JLS6-F6, JLS6-G4 and JLS6-H9) and one Streptomyces strain (JLS3-C3), were explored according to their potential for lignin removal from SCB during a biological pretreatment in order to increase the accessibility of fermentable sugars. Fractional factorial design 24-1 and Taguchi L8 orthogonal array were utilized to assess the impact of physical and nutritional parameters in the hydrolytic and ligninolytic enzymes activity and lignin transformation over 21 days of incubation. Secondly, SCB was subjected to diluted-acid pretreatment to obtain the SCBHH, rich in pentoses sugar. Nutritional parameters for biodetoxification of SCBHH were evaluated utilizing the Box and Behnken 23 design. The strains JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-F6 and JLS6-A12 showed a high capacity for synthesis of xylanase enzyme. The xylanase activity was significantly reduced (from a maximum of 30 U/mg to 5 U/mg) in the optimized condition (moistened SCB milled to 20 mesh size, pH 8.5, agitation 100 rpm for 14 days) determined with the fractional factorial design. The strain JLS6-A6 showed high potential for synthesis of manganese peroxidase enzyme and efficiency during SCB biodelignification, standing out among the other strains. The optimum saccharification conditions identified by Taguchi orthogonal array was moistened SCB and pH 8.5. The value of YP/S obtained after fermentation of the sugars released from pretreated milled SCB (YP/S = 0.45 g cellulosic ethanol/g) was 2.14 times higher than that obtained for pretreated unmilled SCB and 1.29 times higher than unpretreated milled SCB after the simultaneous saccharification and fermentation process. The yeast I. occidentalis Y1\'a was able to grow on unsupplemented SCBHH using acetic acid as an energy source during the biodetoxification process. The fermentation step (30oC, 150 rpm, 24 h) was successful with a volumetric yield (YP/S) of 0.26 g hemicellulosic ethanol/g and productivity (Qp) of 0.14 g/Lh by the yeast Candida shehatae UFMG 52.2. These results confirm the potential of biological processes related to the production of ethanol 2G. Furthermore, JLS6-A6 and I. occidentalis Y1\'a are promising strains for SCB biological pretreatment and SCBHH biological detoxification, respectively. Thus, this work will contribute to the development of cellulosic and hemicellulosic ethanol production, providing the integration of the production of the first and 2G ethanol.