Tese
Produção de etanol de segunda geração pelo uso de complexo enzimático de cepas selecionadas do ecossistema do cerrado
Registro en:
Autor
Fischer, Janaína
Institución
Resumen
Ethanol s sustainable growth, energy supply structure and fuel efficiency have resulted
in more worldwide increases for ethanol use than for any other renewable fuel
alternative to gasoline. Thus, the study of second generation ethanol (2GE) is one of the
most important steps for the valorisation of byproducts that are generated from agrofood
industry activities and for promoting better use of surplus sugarcane bagasse in
ethanol production. The microorganisms that are able to produce cellulase complex
enzyme can be found in various environments including the Brazilian Savanna
(Cerrado) ecosystem, which comprises about 5% of the biodiversity in the world. The
cerrado has significant potential for producing commercial enzymes by solid state
fermentation (SSF) of various agro- industrial wastes and byproducts. In this doctoral
thesis, 71 select strains of fungi from the Brazilian Savanna in Minas Gerais State
(Triângulo Mineiro-MG) were processed using SSF from sugarcane bagasse and rice
bran to produce crude enzyme complex (CEC). The CEC and Saccharomyces cerevisiae
were used to produce ethanol from sugarcane bagasse. Six strategies to increase ethanol
yield from sugarcane bagasse were evaluated and simultaneous saccharification and
fermentation were optimised using a neural network. The following strategies were
evaluated: a) CEC was extracted after SSF by employing different extractive mediums
(cheese whey, Tween 80 and hydrolysed cheese whey); b) successive fermentations; c)
fed-batch fermentation; d) co-fermentations using Saccharomyces cerevisiae followed
by Pichia stipitis and reversing the order of fermentation; e) separated hydrolysis and
fermentation and f) use of concentrated CEC. The CECs produced by Mucor racemosus
Fresenius and Aspergillus niger showed propensities for producing ethanol. In this
study, the combined use of CEC and these fungi resulted in 30.1 g/l of ethanol after 72 h
of fermentation using mixed biomass of cheese-whey and sugarcane bagasse and CEC
from Mucor racemosus Fresenius; 29.0 and 32.0 g/l from CEC produced by Mucor
racemosus Fresenius and Aspergillus niger, respectively, after 120 h of sucessive
fermentations; 20.6 g/l of ethanol using CEC produced by Aspergillus niger and
concentrated by rotoevaporation. The neural network study showed that a maximum
ethanol concentration of 12.6 g/l was achieved under the optimal conditions of 47 h,
88.4% of CEC, 36.6 °C, 34.6 g/l of inoculum and 250 g/L of sugarcane bagasse. Results
indicate that ethanol concentrations correspond with studies, reported in the literature,
of commercial enzymes produced under optimised conditions, which suggests the
importance of screening new strains and using CEC in 2GE production. Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Doutor em Engenharia Química O etanol representa o combustível renovável, alternativo à gasolina, que mais cresce em
volume de produção e uso, devido a sua eficiência, sustentabilidade e a necessidade da
ampliação da matriz energética mundial. Assim, o estudo da produção de etanol de
segunda geração (E2G) se mostra interessante pela possibilidade de se aproveitar
resíduos agroindustriais e parte do excedente de bagaço de cana-de-açúcar das usinas na
produção de etanol. Os microrganismos que produzem o complexo de celulase podem
ser encontrados no em vários ecossistemas incluindo o Cerrado brasileiro que detém
cerca de 5% da biodiversidade do planeta e é fonte de fungos utilizados na fermentação
em estado sólido (FES) de resíduos agroindustriais e subprodutos para produção de
enzimas variadas. Na presente tese avaliou-se o uso de 71 amostras de fungos
selecionados no Cerrado do Triângulo Mineiro, na produção de extrato enzimático bruto
(EEB) por FES de bagaço de cana pré-tratado a explosão a vapor e farelo de arroz
destinado a fermentação via Saccharomyces cerevisiae para produção de etanol de
bagaço de cana. Seis formas distintas de produzir E2G com EEB foram estudadas e
também foi feita a otimização das condições operacionais de fermentação com hidrólise
simultânea a fermentação pelo uso de rede neural. As seis formas estudadas foram: a) o
uso de diferentes meios de extração do complexo enzimático (solução de Tween 80,
soro de queijo na forma hidrolisada e não hidrolisada); b) fermentações sucessivas; c)
batelada alimentada; d) fermentação sequenciais com Saccharomyces cerevisiae e
Pichia stipitis nesta ordem e na ordem inversa (Pichia stipitis e Saccharomyces
cerevisiae); e) hidrólise em separado da fermentação alcoólica (FA); f) concentração
dos extratos enzimáticos. Entre os fungos avaliados, Mucor racemosus Fresenius e
Aspergillus niger se destacaram na produção de complexos enzimáticos capazes de
gerar maior produção de etanol, sendo que os melhores resultados associados à
produção de etanol com hidrólise simultânea a fermentação foram: 30,1 g/L de etanol
em 72h de FA com extrato enzimático de M. racemosus Fresenius no uso conjunto de
biomassa de soro de queijo hidrolisado e celulose; nas FA sucessivas foi obtido
aproximadamente 29,0 g/L e 32,0 g/L de etanol celulósico (120 h de FA) para enzimas
produzidas por M. racemosus Fresenius e A. niger, respectivamente; e 20,6 g/L de
etanol celulósico para processo realizado com uma única fermentação alcoólica por
extrato enzimático (A. niger) concentrado por evaporação a vácuo em Rotaevaporador.
O estudo de otimização das condições de FA utilizando rede neuronal mostraram como
melhor resultado 12,6 g/L de etanol nas condições: diluição do extrato enzimático de
88,4%, temperatura de 36,6°C, teor de bagaço de 25% e 34,6 g/L de inóculo.Os
resultados obtidos para CEC e fungos selecionados são satisfatórios quando comparados
com os encontrados na literatura em estudos com enzimas comerciais em condições
otimizadas, o que sugere que para a produção de E2G o trabalho de coleta e seleção de
microrganismos e o uso de EEB são de grande importância na produção de E2G.