Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://locus.ufv.br//handle/123456789/329
Tipo: Tese
Título: Bioethanol production utilizing fungal enzyme extracts and different processing methods
Título(s) alternativo(s): A produção de bioetanol utilizando enzimas fúngicas hidrolíticas e diferentes métodos de processamento
Autor(es): Visser, Evan Michael
Primeiro Orientador: Guimarães, Valéria Monteze
Primeiro coorientador: Rezende, Sebastião Tavares de
Segundo coorientador: Martins, Márcio Arêdes
Primeiro avaliador: Moreira, Maurílio Alves
Segundo avaliador: Silveira, Wendel Batista da
Terceiro avaliador: Ximenes, Eduardo de Aquino
Resumo: Industrial-scale production of bioethanol from lignocellulosic sources is still in its initial phases, mainly due to the high processing costs and more specifically the high costs of commercial enzyme complexes. In conventional sugarcane processing, roughly 50% of bagasse is combusted to power the facility; however when considering the conversion of bagasse to bioethanol, 55% of bagasse can be processed for second generation ethanol production while the other 45% of fresh bagasse and lignin resulting from enzymatic hydrolysis is sufficient to power the conventional ethanol plant and also provide energy for processing/distillation of lignocellulose derived ethanol. The genetically modified yeast strain S. cerevisiae YRH400 showed to be more efficient for fermenting of both glucose and xylose to ethanol than K. marxianus ATCC-8554 and K. marxianus UFV-3. Enzymatic hydrolysis was performed on alkali-pretreated sugarcane bagasse using an enzyme extract obtained from Chrysoporthe cubensis produced via solid-state fermentation at the optimal temperature of 50°C with solids loading of 7.5%. This was compared with hybrid hydrolysis and fermentation (48 and 12 hour prehydrolysis periods) using the yeasts S. cerevisiae YRH400 and K. marxianus ATCC- 8554 at the fermentation temperatures of 30°C and 40°C, respectively. Separate hydrolysis and fermentation appeared to be the most efficient, achieving glucose and xylose conversion efficiencies of 45 and 97%, respectively, for the enzyme loading of 10 FPU/g pretreated biomass over a 120 hour hydrolysis period. Blending of enzyme extracts with complementing activities was performed to obtain a more complete enzyme complex. Previous studies indicated that Chrysoporthe cubensis is a good producer of b-glucosidase, xylanase and other accessory enzymes, while the extract from Penicillium pinophilum is rich in cellulases (FPase, endoglucanases and cellobiohydrolases). Maximum synergy was observed between these two extracts when blended at the concentration of 50:50, presenting synergism values of 76%, 50% and 24% for FPase, endoglucanase and xylanase activities, respectively. This blended enzyme extract was then applied for hydrolysis of alkali-pretreated sugarcane bagasse at different enzyme and biomass loadings at 45°C. A maximum conversion of glucose and xylose (64% and 93%, respectively) was obtained for the treatment with enzyme loading of 20 FPU/g and solids loading of 8%. Another assay was performed utilizing a reaction temperature of 50°C. At the higher temperature increases of 16% and 20% were obtained with respect to the glucose and xylose conversions, respectively. Moreover, for the treatment performed at 50°C the hydrolysis rate was nearly constant after 120 hours while those of the assays performed at 45°C showed to decrease more significantly. In this last experiment enzymatic hydrolysis was performed at 50°C and after predetermined time periods the solid fraction was recycled in an attempt to recycle enzymes adhered to the solid biomass. It was found that when adding the 1x (the same amount), 1/2x or no additional enzyme in the second hydrolysis period the same amount of glucose was produced, indicating the enzymes were efficiently recycled. However when adding the same amount of biomass (8 or 12%) during each recycle period the solids concentration increased and hydrolysis efficiency decreased significantly. In the experiment in which hydrolysis was continuously monitored and the solids concentration maintained constant (12%), hydrolysis efficiency of the fresh biomass added continuously increased, indicating that cellulase and hemicellulase enzymes were efficiently recycled and that lignin had no negative effect on enzymatic hydrolysis.
Abstract: A produção em escala industrial de bioetanol a partir de fontes lignocelulósicas ainda está em suas fases iniciais, principalmente devido aos altos custos de processamento e, mais especificamente, aos custos elevados de complexos enzimáticos comerciais. No processamento de cana convencional, cerca de 50% do bagaço é queimado para produção de calor, no entanto, quando se considera a conversão de bagaço para etanol, 55% do bagaço pode ser processado para a produção de etanol de segunda geração, enquanto os outros 45% de bagaço fresco e lignina resultantes da hidrólise enzimática são suficientes para alimentar a usina de etanol convencional e também fornecer energia para o processamento/destilação de etanol derivado de lignocelulose. A levedura geneticamente modificada S. cerevisiae YRH400 mostrou-se mais eficiente para fermentação de glicose e xilose em etanol do que K. marxianus ATCC-8554 e K. marxianus UFV-3. A hidrólise enzimática foi realizada em bagaço de cana, inicialmente submetido ao pré-tratamento alcalino, usando um extrato de enzima obtida a partir de Chrysoporthe cubensis, produzida pela fermentação em estado sólido. As condições de hidrólise foram temperatura de 50°C e concentração de sólidos de 7.5% (m/v). Este resultado foi comparado a hidrólise e fermentação híbrido (48 e 12 horas de préhidrólise), utilizando as leveduras S. cerevisiae YRH400 e K. marxianus ATCC-8554 sob temperaturas de fermentação de 30 e 40 °C, respectivamente. Hidrólise e fermentação separados pareceu ser mais eficiente, conseguindo converter glicose e xilose com eficiência de 45 e 97%, respectivamente, no caso de utilização de uma carga enzimática de 10 FPU/g de biomassa pré-tratada, durante um período de 120 horas de hidrólise. Uma combinação de extratos enzimáticos apresentando atividades complementares foi realizada para se obter um complexo enzimático mais completo. Estudos anteriores indicaram que Chrysoporthe cubensis é um bom produtor de b-glicosidase, xilanase e outras enzimas acessórias, enquanto que o extrato de Penicillium pinophilum é rico em celulases (FPases, endoglucanases e celobiohidrolases). O sinergismo máximo foi observado, entre estes dois extratos, quando misturado na proporção de 50:50, apresentando valores de sinergismo de 76%, 50% e 24% para as atividades de FPase, endoglucanase e xilanase, respectivamente. Este extrato enzimático misturado foi então aplicado na hidrólise do bagaço de cana, submetido a um processo de pré-tratamento alcalino com diferentes cargas enzimáticas e concentrações de biomassa a 45 °C. A conversãoF máxima de glicose e xilose (64% e 93%, respectivamente) foi obtida para o tratamento com a carga enzimática de 20 FPU/g e concentração de sólidos de 8%. Um outro ensaio foi realizado utilizando uma temperatura de reação de 50 °C. À temperatura mais alta, foram obtidos aumentos de 16% e 20% em relação às conversões para glicose e xilose, respectivamente. Além disso, para o tratamento realizado à 50 °C, a taxa de hidrólise foi quase constante após 120 horas, enquanto a taxa de hidrólise dos dois ensaios realizados a 45 °C diminuíram significativamente (0.14 g/l/h at 50°C and 0.10 g/l/h at 45 °C). Neste último experimento, a hidrólise enzimática foi realizada à 50 °C após períodos predeterminados de tempo, a fração sólida foi reciclada na tentativa de reciclar enzimas aderidas à biomassa sólida. Verificou-se que, quando se adiciona 1x (o mesmo valor), 1/2x ou nenhuma enzima durante o segundo período de hidrólise, a mesma quantidade de glicose foi produzida, indicando que as enzimas foram eficientemente recicladas. No entanto, quando adicionado a mesma quantidade de biomassa (8 ou 12% m/v), durante cada período de reciclagem, a concentração de sólidos aumentou e diminuiu significativamente a eficiência de hidrólise. No caso em que a hidrólise foi monitorada continuamente e a concentração de sólidos foi mantida constante (12%), a eficiência da hidrólise de biomassa fresca adicionada a cada ciclo de reciclagem aumentou continuamente, indicando que as celulases e hemicelulases foram eficientemente recicladas e que a lignina não teve nenhum efeito indesejável sobre a hidrólise enzimática.
Palavras-chave: Bioethanol
Enzyme
Bioetanol
Enzima
CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Idioma: eng
País: BR
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Sigla da Instituição: UFV
Departamento: Bioquímica e Biologia molecular de plantas; Bioquímica e Biologia molecular animal
Programa: Doutorado em Bioquímica Agrícola
Citação: VISSER, Evan Michael. A produção de bioetanol utilizando enzimas fúngicas hidrolíticas e diferentes métodos de processamento. 2013. 120 f. Tese (Doutorado em Bioquímica e Biologia molecular de plantas; Bioquímica e Biologia molecular animal) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2013.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://locus.ufv.br/handle/123456789/329
Data do documento: 17-Jul-2013
Aparece nas coleções:Bioquímica Agrícola

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
texto completo.pdf864,1 kBAdobe PDFThumbnail
Visualizar/Abrir


Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.