Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Orientador: Francisco Maugeri Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-10T15:34:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Motta_FelipeBastos_M.pdf: 972824 bytes, checksum: a462e688ab46d2def7974c05146d274b (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A endo-1,4-ß-xilanase (E.C. 3.2.1.8), comumente chamada de xilanase, possui grande aplicação em diferentes tipos de indústrias tais como a de ração animal, alimentos, têxteis, de papel, de produção de etanol a partir de biomassa, entre outras. Isso se deve ao fato de que esta enzima atua na hidrólise da xilana, o segundo mais abundante polissacarídeo encontrado na natureza, que está presente ligado a hemicelulose da parece celular de plantas. O objetivo deste trabalho foi selecionar, através do método de screening em placas de Petri, e avaliar a atividade enzimática de leveduras silvestres isoladas de diversas regiões do Brasil (Mata Atlântica, Floresta Amazônica, Cerrado e Pantanal) quanto à produção de xilanase. Para o screening em placas, utilizou-se um meio de cultura no qual a única fonte de carbono era a xilana para induzir a produção da enzima. De um total de 349 microrganismos analisados, foram obtidas 84 cepas produtoras, porém somente 37 possuíam um índice de relação enzimática (diâmetro do halo descolorido / diâmetro da colônia) maior que 2,5. Em função deste resultado prosseguiu-se com a seleção dos melhores microrganismos para a produção da enzima em meio líquido. Após observações preliminares apenas 9 cepas obtiveram um crescimento satisfatório em meio líquido a 30ºC e 150 rpm. Estes foram avaliados em dois meios de culturas diferentes em relação à atividade enzimática do caldo enzimático à 50ºC por 5 min em shaker. Dentre estes, os microrganismos AAD5 e AY10 se destacaram por apresentarem a atividade enzimática em torno de 2 µmol/mL.min . Posteriormente, foi realizada a caracterização das enzimas produzidas, sendo que a proveniente do microrganismo AAD5 possui condições ótimas na faixa de 57,5 ¿ 67,5 ºC e pH entre 4,7 ¿ 5,5, além de meia vida de 21,33 horas a 52ºC e pH 5,3, com vmax de 1,77 µmol/mL.min e Km de 0,44 g/L. Já a enzima produzida pela cepa AY10 possui condições ótimas na faixa de pH entre 4,8 ¿ 4,1 à temperatura de 80°C, além de meia vida de 11,21 horas a 72ºC e pH 5,3, com vmax de 5,47 µmol/mL.min e Km de 1,37 g/L. Estes resultados demonstram o potencial de aplicação de leveduras na produção de xilanase, porém, para as cepas estudadas, há a necessidade de purificação das enzimas produzidas para que estas sejam aplicadas industrialmente / Abstract: Endo-1,4-ß-xylanase (E.C. 3.2.1.8), commonly called xylanase, has great application in different types of industries such as feed, food, textiles, paper, ethanol from biomass, among others. These enzymes act in hydrolysis of the xylan, one of the most abundant polysaccharides found in the nature, present in cell plants linked to the hemicelullose. The main goal of this work was to select, through a screening method using Petri dishes, and to evaluate the enzymatic activity of isolated wild yeasts from several brazilian regions (Atlantic Forest, Amazonian Forest, Cerrado and Pantanal) about the production of xylanase. For the screening in Petri dishes, the culture medium used has xylan as the only carbon source to induce the production of the enzyme. From 349 evaluated microorganisms, 84 could produce xylanase, although only 37 showed an enzymatic ration (diameter of the undye halo/diameter of the colony) higher than 2.5. And, after initial assays in submerged method, 9 strains showed a satisfactory growth at 30ºC and 150 rpm. Among them, the microorganisms AAD5 and AY10 presented a higher potential, with the enzymatic activity above 2 µmol/mL.min. The characterization of the produced enzymes was carried out and the one produced by the strain AAD5 has, as optimal conditions, temperature between 57.5 ¿ 67.5 ºC and pH 4.7 ¿ 5.5. Also, it was shown 21.33 hours of half-life at 52ºC and pH 5.3, with vmax of 1.77 µmol/mL.min and Km of 0.44 g/L. The enzyme produced by the strain AY10 has, as optimal conditions, pH between 4.8 ¿ 4.1 and temperature around 80ºC. The half-life of the enzyme was 11.21 hours at 72ºC and pH 5.3, with vmax of 5.47 µmol/mL.min and Km of 1.37 g/L. These results demonstrate the potential application of the yeasts for xylanase production, although, for those enzymes, further works are necessary to establish the actual industrial and technical potentialities / Mestrado / Mestre em Engenharia de Alimentos

Este trabalho visa a valorização da fração de xilana presente na polpa kraft branqueada de eucalipto como matéria prima para a produção de xilitol e derivados de xilose. O presente estudo é dividido em dois objetivos principais. A primeira parte é dedicada ao estudo da otimização do processo de extração da xilana da polpa kraft industrial. Para fazer este estudo foi estabelecido um planejamento fatorial utilizando como variáveis a concentração da solução de hidróxido de sódio, o tempo de extração e a razão sólido/líquido (polpa/solução). A resposta empregada para avaliar a eficiência das extrações foi o rendimento de xilana extraída. A melhor condição de extração foi obtida com solução de hidróxido de sódio 14% (m/v), 180 minutos e razão sólido/líquido de 0,06, resultando em 98% de xilana extraída. Na segunda parte, estudou-se o processo de recuperação da xilana a partir das soluções de extração por técnicas de precipitação utilizando ácidos e/ou álcoois. Devido à presença de impurezas no precipitado, estudou-se também o efeito da lavagem dos mesmos. A partir da caracterização das amostras isoladas pode-se concluir que as xilanas isoladas utilizando metanol, isopropanol, ácido clorídrico e ácido nítrico apresentaram graus de pureza comparáveis à de amostras comerciais de xilana. / This work aims the extraction of xylans present in bleached eucalyptus kraft pulp. The extracted xylans can be used as raw material for the production of xylitol and xylose derivatives. The study is divided in two main objectives: The first part is dedicated to optimize the conditions to extract xylan from industrial Kraft pulps. To achieve this, a factorial planning design was established using as variables the concentration of sodium hydroxide solution, extraction time and the solid (pulp) to solution ratio. The response to employed to evaluate the extraction efficiency was the recovery xylan yield. The best extraction condition was obtained with 14% (w/v) sodium hydroxide, 180 minutes and solid (pulp) to liquid ratio of 0.06, which lead to approximately 98% of xylan recovery yields. In the second part of this work, the recovery of the pure xylan from the aqueous solution was carried out by precipitation techniques using acids and / or alcohols. Due to the presence of impurities in the precipitates, it was also studied the effect of washing to purify the samples. From the characterization of the isolated samples it can be concluded that xylans precipitated by using methanol, isopropanol, hydrochloric acid and nitric acid, produced xylans samples with similar level of purity when compared to the commercial standard xylan.

Em uma fábrica de celulose, a maioria da hemicelulose é dissolvida no licor negro e se queima no processo de recuperação de álcalis. Devido a isto, a reposição das hemiceluloses dissolvidas de volta à fibra é uma das alternativas para a retenção de hemicelulose nas polpas, o que aumenta o rendimento do processo e produz polpas de alta qualidade. O Brasil é o maior produção de cana-de-açúcar do mundo, o bagaço gerado em grande quantidade constitui uma potencial fonte barata e abundante de hemicelulose para uso em processos biotecnológicos. O aproveitamento desta fração do material lignocelulósico pode aumentar o valor comercial do bagaço de cana-de-açúcar. Nesse estudo, extraiu-se enzimaticamente a hemicelulose do bagaço visando utilizá-la como aditivos na indústria de papel e celulose. Inicialmente, o bagaço foi pré-tratado pelo processo quimiotermomecânico, em solução sulfito alcalino (10% Na2SO3 e 5% NaOH), 120 oC, 2 h. O pré-tratamento removeu 49,1% de lignina e 16,1% de xilana do bagaço, houve uma pequena solubilização de glucana (9,0%) e alto rendimento de sólidos (73,6%). A extração enzimática das xilanas a partir do bagaço pré-tratado foi feita com 5 UI de xilanase comercial (Luminase) por grama de material, em tampão fosfato 50 mM, 50 ºC, pH 8 por 6 e 24 horas, obtendo-se 15% e 28% de rendimento de xilana, respectivamente, determinada quimicamente pelos conteúdos de xilose e arabinose. As xilanas solubilizadas do bagaço pré-tratado com a xilanase comercial por 6 horas foram precipitadas em 15% e 30% de etanol. Recuperou-se 2 frações, denominadas Xilanas 1 e 2, que apresentaram massas molares médias de 34.180 g/mol e 28.130 g/mol, respectivamente, e grau de substituição mais elevado (0,16-0,19). O restante do material foi concentrado e denominado Xilana 3. As xilanas extraídas enzimaticamente por 24 horas foram liofilizadas e denominada Xilana 4. As Xilanas 3 e 4 possuem características semelhantes, como baixas massas molares (2.890-3.660 g/mol) e graus de substituição (0,13-0,14), porém com grandes quantidades de impurezas. As xilanas obtidas foram submetidas ao processo de adsorção em polpas celulósicas \"kraft\" de eucalipto, marrom e deslignificada, em pH 10, consistência de 5% (m/v) e 10% de relação xilana/celulose (m/m). A adsorção em celulose ocorreu para as xilanas com menor grau de substituição e o aumento da concentração de xilanas com menores massas molares aumentou as taxas de adsorção. Em função desses resultados, conclui-se que a extração enzimática de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado quimiotermomecanicamente com sulfito alcalino produziu majoritariamente xilanas de baixa massa molar e pouco substituídas, que foram eficientes durante processo de adsorção à polpa celulósica e podem ser exploradas para redeposição em polpa celulósica visando melhorar as características da fibra e aumentar o rendimento do processo. / In a celulose pulp factory, most of the hemicellulose are dissolved in the black liquor and burn in the alkali recovery process. For this reason, the replacement of the dissolved hemicelluloses back to the fiber is one of the alternatives for the retention of hemicellulose in the pulps, which increases the yield of the process and produces high quality pulps. Brazil has the largest sugarcane crop in the world, the bagasse generated in large quantities constitutes a potential cheap and abundant source of hemicellulose for use in biotechnological processes. The utilization of this fraction of the lignocellulosic material can increase the commercial value of sugarcane bagasse. In this study, hemicellulose was extracted enzymatically from the bagasse to be used as additives in the pulp and paper industry. Initially, the bagasse was pretreated by the chemothermomechanical process, in alkaline sulfite solution (10% Na2SO3 and 5% NaOH), 120 ?, 2h. The pretreatment removed 49.1% of lignin and 16.1% of xylan from the bagasse, there was a small solubilization of glucan (9.0%) and high solids yield (73.6%). Enzymatic extraction of xylan from pretreated bagasse was made with 5 IU of commercial xylanase (Luminase) per gram of material, in 50 mM phosphate buffer, 50 °C, pH 8 by 6 and 24 hours, obtaining 15% and 28% xylan yield, respectively, determined chemically by the contents of xylose and arabinose. The solubilized xylans of pre-treated bagasse with the commercial xylanase for 6 hours were precipitated in 15% and 30% ethanol. Two fractions, named Xylans 1 and 2, were recovered, having average molar masses of 34.180 g/mol and 28.130 g/mol, respectively, and a higher degree of substitution (0,16-0,19). The remainder material was concentrated and named Xylan 3. Xylans extracted enzymatically for 24 hours were lyophilized and named Xylan 4. Xylans 3 and 4 had the same similar characteristics as low molar masses (2.890-3.660 g / mol) and degrees of substitution (0,12-0,14), but with large amounts of impurities. The xylans were submitted to the adsorption process in cellulosic pulps of eucalyptus, brown and delignified, in pH 10, consistency of 5% (m/v) and 10% ratio xylan mass/cellulose mass (m/m). The adsorption in cellulose occurred for the xylan with lower degree of substitution and the increase of the xylan concentration with smaller molar masses increased the adsorption rates. Based on the results, it was concluded that the enzymatic extraction of sugarcane bagasse pretreated chemothermically with alkali sulphite produced mainly xylans of low molar mass and degree of substitution, which were efficient during the adsorption process to the cellulosic pulp and can be used for redeposition in cellulosic pulp in order to improve the characteristics of the fiber and increase the process yield.

A intensa busca por fontes renováveis de energia traz como alternativa a utilização da biomassa lignocelulósica para produção de biocombustíveis e biopolímeros a partir de seus componentes, celulose, hemicelulose e lignina. Nesse estudo, a partir do bagaço de cana-de-açúcar obteve-se uma polpa enriquecida em glucana e xilana utilizando-se o pré-tratamento quimio-termomecânico em solução sulfito alcalino (10% Na2SO3 e 5% NaOH). O pré-tratamento removeu 43% de lignina e 8% de xilana do bagaço e após uma etapa de lavagem do material, ocorreu maior dissolução da lignina (53%), xilana (17,4%) e também uma pequena solubilização de glucana (5%). O objetivo foi isolar e caracterizar as xilanas do bagaço pré-tratado e aquelas solubilizadas no licor e também avaliar a degradabilidade enzimática da celulose residual. A extração de xilanas foi realizada em condição alcalina, assistida ou não por xilanases, a partir do bagaço pré-tratado lavado (BLA) e não lavado (BNL). A extração enzimática das xilanas foi feita com 8 UI de xilanase comercial (Luminase) por grama de material, em tampão fosfato 50 mM, 50º C, pH 8 por 24 horas. Os métodos químicos para a extração das xilanas empregaram 40% NaOH (m/m), com variações nas condições de incubação entre os métodos de Lopez (L) (60º C, 2h) e Hoije (H) (25º C, 16h). Os rendimentos de sólidos e de xilana obtidos por Hoije foram próximos a 60%, diferente do observado para as xilanas extraídas pelo método de Lopez e enzimático. No método de Hoije utilizou-se o bagaço pré-tratado com sulfito alcalino, parcialmente deslignificado com clorito de sódio em meio ácido, e obteve-se xilanas mais puras. O menor rendimento de xilanas foi obtido através do método enzimático (22 a 30%). Todas as xilanas apresentaram composição majoritária de xilose (60-80%), seguido de grupos arabinosil (7-12%), ácidos urônicos (4-13%), ácidos hidroxicinâmicos (0,3-1,2%) e lignina (3-10%). A relação xilose/arabinose das xilanas variou de 7 a 10, enquanto que a relação xilose/ácidos urônicos apresentou uma faixa mais ampla (9-28). Este grau de substituição refletiu na maior solubilidade das xilanas. As xilanas isoladas com xilanases apresentaram duas frações com massas molares ponderais médias (Mw) de 3.700 g/mol e 800 g/mol, inferiores às das xilanas isoladas pelo método de Hoije (24.300 g/mol) e de Lopez (24.450 g/mol). As xilanas recuperadas do licor sulfito apresentaram um rendimento de 34% e massa molar ponderal média de 28.660 g/mol. As xilanas isoladas pelos métodos químicos foram caracterizadas por FT-IR e mostraram absorções em números de ondas característicos, com perfil semelhante. A conversão enzimática de glucana dos resíduos, após extração de xilanas com o método de Hoije, foi maior que dos bagaços pré-tratados. Quando a extração de xilanas foi realizada através dos métodos de Lopez ou enzimático essa melhoria não foi observada. / The intensive search for renewable energy sources is often ssociated with the use of lignocellulosic biomass for biofuel production as well for the extraction of biopolymers from their components: cellulose, hemicellulose and lignin. In the present study, a pulp enriched in glucan and xylan was obtained from sugarcane bagasse using chemi-thermomechanical alkaline sulfite solution (10% Na2SO3 and 5% NaOH) pretreatment. The pretreatment removed 43% of lignin and 8% of xylan from the pulp, and a greater dissolution of lignin (53%) and xylan (17.4%) and also an additional dissolution of glucan (5%) was reached after a washing step of the material. The aim was to isolate and characterize xylans from the pretreated bagasse as well as those solubilized in the liquor, and also to evaluate the enzymatic degradability of the residual pulp. The xylan extraction was performed in alkaline conditions, being assisted or not by xylanases from the washed pretreated bagasse (WB) and unwashed pretreated bagasse (UWB). Enzymatic extraction of xylan was performed with 8 IU commercial xylanase (Luminase) per gram of material in 50 mM phosphate buffer, 50° C, pH 8, for 24 hours. The chemical methods for xylan extraction employed 40% NaOH (w/w), with varying in the incubation conditions using the Lopez (L) (60 ° C, 2h) and Hoije (H) (25 ° C, 16h) methods. The solids and xylan yields obtained through the Hoije method were near 60%, which were different from those observed for the xylan extracted by Lopez and enzymatic methods. In the Hoije method (H), sugarcane bagasse was pretreated with alkali sulfite and was partially delignificated with sodium chlorite in an acid medium, resulting in even more pure xylans. The lowest xylan yield was obtained by the enzymatic method (22 to 30%). All xylans presented xylose as major component (60-80%), followed by arabinosyl groups (7-12%), uronic acids (4-13%), hydroxycinnamic acids (0.3-1.2%), and lignin (3-10%). The xylose/arabinose ratio of xylan ranged from 7 to 10, while the xylose/uronic acids ratio showed a greater range (9-28). This degree of substitution reflected in an increasing in the xylan solubility. Xylans isolated by xylanases exhibited two fractions with an weight average molecular weight (Mw) of 3.700 g/mol and 800 g/mol, which were lower than those xylans isolated through the Hoije (24.300 g/mol) and Lopez (24.450 g/mol) methods. The xylan recovered from sulfite liquor had a yield of 34% and an weight average molar weight of 28.660 g/mol. The xylans isolated by chemical methods were characterized by FT-IR, and showed absorptions at characteristic wavenumbers with similar profile. After the extraction of xylans with Hoije method, the enzymatic conversion of glucan residues was higher than the one for the pretreated bagasse. When the xylan extraction was performed wiht the Lopez or enzymatic methods, such improvement was not observed.

No presente trabalho o bagaço de cana-de-açúcar foi pré-tratado quimiotermomecanicamente (QTM) com três concentrações de solução sulfito alcalino (g/100 g de bagaço): 2,5% Na2SO3 e 1,25% NaOH (QTM2,5%); 5% Na2SO3 e 2,5% NaOH (QTM5%), 10% Na2SO3 e 5% NaOH (QTM10%), e posteriormente refinado num refinador de discos, visando incrementar a acessibilidade da parede celular para extrair enzimaticamente as hemiceluloses. O bagaço também foi pré-tratado com clorito ácido por 2 horas (D2) e 4 horas (D4), para gerar um substrato modelo com baixo teor de lignina. A composição original do bagaço de cana-de-açúcar foi de 32,3% de celulose, 28,5% de hemicelulose e 22,0% de lignina (g/100 g de bagaço original). Depois de pré-tratados, as remoções de lignina foram de 18%; 31% e 48% para os bagaços QTM2,5%, QTM5% e QTM10%, respectivamente. Parte das hemiceluloses foi removida, em níveis de 22% para os bagaços QTM2,5% e QTM5% e 17% para o QTM10%. O pré-tratamento clorito ácido removeu lignina em níveis de 55% e 75% para os bagaços D2 e D4, respectivamente; e 10% da hemicelulose no bagaço D4. As hemiceluloses de todos os bagaços pré-tratados foram extraídas com 3 diferentes preparados de endo-xilanases comerciais, usando 20UI/g de bagaço, em pH=8.0 (tampão fosfato 50 mM), 50°C e uma relação sólido:líquido de 1:20. Após 24h de reação, a xilanase Luminase apresentou os melhores rendimentos de extração de xilana com valores de: 4%, 7% e 32% para os bagaços QTM2,5%, QTM5% e QTM10%, respectivamente; e de: 34% e 55% para os bagaços D2 e D4, respectivamente. A extração se correlacionou linearmente com a remoção de lignina (R2=0,97) e ácidos hidroxicinâmicos (R2=0,88 para ácido ferúlico; R2=0,80 para ácido p-coumárico), e com o aumento da área superficial accessível de celulose (R2=0,95). Não foi observada a produção de açúcares monoméricos nas xilanas extraídas. Aumentando a carga enzimática em 20 vezes (100 UI) no bagaço QTM10% e em 12 vezes (60 UI) no bagaço D4 a extração da xilana aumentou 29% e 21%, respectivamente, sugerindo que além da lignina e ácidos hidroxicinâmicos, existem outros impedimentos a extração. O bagaço QTM10% foi extraído sequencialmente duas vezes com 100UI de Luminase por grama de bagaço, e posteriormente sacarificado com celulases comerciais. Os resultados mostraram que primeiro são extraídas as xilanas mais substituídas com arabinose e que a extração da xilana favorece a sacarificação da celulose residual, quando comparado com um material simplesmente pré-tratado. Entretanto, para aceder a toda a xilana do bagaço, é necessário hidrolisar parte da celulose, indicando que o pré-tratamento QTM10% não consegue quebrar por completo a alta interação celulose-hemicelulose. A pré-incubação do bagaço QTM10% por 8h com endoglucanase, seguida da reação com xilanase por 24h, aumentou a extração de xilana em 17,6%. As xilanas extraídas podem ser recuperadas por precipitação com etanol. Análises de ressonância magnética nuclear mostraram que a xilana extraída corresponde a glucurono-arabinoxilana, sendo detectados também ácido pcoumárico, baixas quantidades de lignina e proteínas, derivados do processo de extração. / In the present work, the sugarcane bagasse was pretreated with a chemithermomechanically (CTM) process using three concentrations alkaline-sulfite solution (g/100 g of bagasse): 2,5% Na2SO3 e 1,25% NaOH (QTM2,5%); 5% Na2SO3 e 2,5% NaOH (QTM5%), 10% Na2SO3 e 5% NaOH (QTM2,5%), and disk refining with the aim of increasing cell wall accessibility for subsequent extraction of the hemicellulose fraction. Besides, bagasse was delignified with acidic sodium chlorite for 2 hours (D2) and 4 hours (D4), to produce a model with low lignin content. The original composition of sugarcane bagasse was 38.3% of cellulose, 28.5% of hemicellulose and 22.0% of lignin (g/100 g of original bagasse). After pretreatment, the lignin removal were 18%; 31% e 48% for the bagasse CTM2,5%, CTM5% e CTM10%, respectively. A part of the hemicellulose was removed at levels of 22% for the bagasse CTM2,5%, CTM5% and 17% for QTM10%. Acid chlorite pretreatment removed lignin at 55% and 75% levels for D2 and D4, respectively; and 10% of hemicellulose in D4 bagasse. Hemicelluloses from all pre-treated bagasses were extracted with 3 different commercial endoxylanases preparations using 20UI/g of bagasse, at pH 8.0 (phosphate buffer 50 mM), 50°C and solid:liquid ratio of 1:20. After 24h of reaction, Luminase xylanase showed the best xylan extraction yields of: 4%, 7% and 32% for QTM2,5%, QTM5% and QTM10%, respectively; and of: 34% and 55% for D2 and D4, respectively. The xylan extraction correlated linearly with lignin (R2=0.97) and hidroxicinamic acid (R2=0.88 for ferulic acid; R2=0.80 for p-coumaric acid) removal, and with the increase of accessible surface area of the cellulose (R2=0.95). The production of monomeric sugars in the extracted xylan was not observed. Increasing enzimatic loading by 20 times (100 UI) for the bagasse CTM10% and 12 times (60 UI/) for the D4 bagasse, the xylan extraction was increased 29% and 21%, respectively, suggesting that besides lignin and hydroxycinnamic acids, there are other impediments to enzymatic extraction. The QTM10% bagasse was extracted sequentially twice with 100UI of Luminase per gram of bagasse, and then saccharified with commercial cellulases. The results showed that the xylanes most substituted with arabinose are extracted first and that the extraction of the xylan favors the saccharification of the residual cellulose as compared to a simply pretreated material. However, to access all the bagasse xylan, it is necessary to hydrolyze part of the cellulose, because the QTM10% pretreatment was not enough to completely disintegrate the high cellulose-hemicellulose interaction. Pre-incubation of the QTM10% bagasse for 8h with endoglucanase, followed by xylanase reaction for 24h, increased the xylan extraction by 17.6%. Extracted xylans were recovered by precipitation with ethanol and characterized. Chemical and nuclear magnetic resonance analysis showed that extracted xylan corresponds to a glucurono-arabinoxylan with residues of p-coumaric acid and low amounts of lignin and proteins, derived from the extraction process.

O presente trabalho teve como objetivo a caracterização da xilanase presente no extrato bruto de Bacillus pumilus, com a finalidade de usá-la na extração de xilana do bagaço de cana-de-açúcar. Foram testados dois meios de cultura em pHs 8,5 e 9,5 com diferentes substratos. As maiores atividades de xilanase foram produzidas em xilana comercial de oat spelts (228 U/mL) e em farelo de trigo (220 U/mL), no pH 8,5. Independentemente das condições de cultivo empregada, não foi detectada atividades de &szlig;-xilosidase, &szlig;-glicosidase e arabinofuranosidase e a produção de endoglucanase foi baixa (< 0,7 U/mL). O perfil de proteínas em eletroforese foi amplo, e a banda com 23 kDa correspondeu a uma xilanase. A xilanase apresentou pH ótimo na faixa de 7-8, temperatura ótima entre 45-50 ºC e se apresentou mais estável a 40 ºC (pH8,0). A hidrólise de xilanas comerciais produziu xilotriose, xilotetraose, xilopentaose e xilo-oligossacarídeos (XOS) com massas maiores, que não foram identificados por cromatografia em camada fina (TLC). A influência de vários fatores, tais como a carga de xilanase, tipo de substrato, temperatura e a adição de vários compostos foi avaliada no rendimento de extração de xilanas desde o bagaço de cana-de-açúcar prétratado. O extrato bruto de B. pumilus, rico em xilanases, foi aplicado em um bagaço pré-tratado com sulfito/álcali, e em um bagaço deslignificado por clorito em meio ácido, evidenciando que a menor quantidade de lignina residual como principal fator para aumentar a extração de xilana, aumentando a extração de 4,2 para 42,5%. A lavagem extensiva do material pré-tratado com sulfito alcalino também auxiliou no aumento do rendimento de xilana, de 18,5 para 25,1 %. Foram testadas outras alternativas para aumentar o rendimento de hidrólise da xilana do bagaço pré-tratado, sem a necessidade da lavagem do material. A reutilização do licor sulfito alcalino, a adição de tween 80, polietileno glicol, albumina não favoreceram a extração de xilanas, enquanto que a adição de MgSO4 teve um pequeno efeito positivo na extração da xilana (de 18% para 20,9 %). A extração alcalina a frio, realizada após a extração enzimática, influenciou positivamente o rendimento de extração da xilana do bagaço pré-tratado com 10% Na2SO3/5%NaOH. A extração de xilana obtido pela aplicação de xilanase (20 U/g) seguida da extração com 20% de NaOH produziu o mesmo resultado que utilizando apenas NaOH (70%), de 24,1 e 24,9 %, respectivamente. A extração enzimática da xilana permitiu a obtenção de um resíduo com características favoráveis para a completa sacarificação, com Cellic CTec2 na carga de 10 FPU/g de material. / The present work aimed to characterize the xylanase present in the crude extract of Bacillus pumilus, with the purpose of using it in the xylan extraction of the sugarcane bagasse. Two culture media were tested at pHs 8.5 and 9.5 with different substrates. The highest xylanase activities were produced in commercial xylan oat spelled (228 U / mL) and wheat bran (220 U / mL) at pH 8.5. Regardless of the culture conditions employed, &szlig;xylosidase, &szlig;-glycosidase and arabinofuranosidase activities were not detected and endoglucanase production was low (<0.7 U/mL). The protein profile on electrophoresis was extensive, and the 23 kDa band corresponded to a xylanase. The xylanase presented optimum pH in the range of 7-8, optimal temperature between 45-50ºC and was more stable at 40 ºC (pH8.0). Hydrolysis of commercial xylanes produced xylotriose, xylotetraose, xylopentaose and xylooligosaccharides (XOS) with larger masses, which were not identified by thin layer chromatography (TLC). The influence of various factors, such as xylanase loading, substrate type, temperature and the addition of various compounds was evaluated in the xylan extraction yield from the pretreated sugarcane bagasse. The crude extract of B. pumilus, rich in xylanases, was applied to a bagasse pretreated with sulfite/alkali, and to a bagasse delignified by chlorite in acid medium, showing that the lower amount of residual lignin as the main factor to increase the extracting xylan, increasing the extraction from 4.2 to 42.5%. Extensive washing of the alkaline sulfite pretreated material also assisted in increasing xylan yield, from 18.5 to 25.1%. Further alternatives were tested to increase the hydrolysis yield of pretreated bagasse xylan without the need for material washing. The reuse of the alkali sulfite liquor, the addition of tween 80, polyethylene glycol, albumin did not favor xylan extraction, while addition of MgSO4 had a small positive effect on xylan extraction (from 18% to 20.9%). The cold alkaline extraction, after enzymatic extraction, positively influenced the xylan extraction yield of the pretreated bagasse with 10% Na2SO3/5% NaOH. Extraction of xylan obtained by applying xylanase (20 U / g) followed by extraction with 20% NaOH produced the same result as using only NaOH (70%), 24.1 and 24.9%, respectively. The enzymatic extraction of xylan allowed to obtain a residue with favorable characteristics for the complete saccharification, with Cellic CTec2 in the load of 10 FPU / g of material.

Em uma fábrica de celulose, a maioria da hemicelulose é dissolvida no licor negro e se queima no processo de recuperação de álcalis. Devido a isto, a reposição das hemiceluloses dissolvidas de volta à fibra é uma das alternativas para a retenção de hemicelulose nas polpas, o que aumenta o rendimento do processo e produz polpas de alta qualidade. O Brasil é o maior produção de cana-de-açúcar do mundo, o bagaço gerado em grande quantidade constitui uma potencial fonte barata e abundante de hemicelulose para uso em processos biotecnológicos. O aproveitamento desta fração do material lignocelulósico pode aumentar o valor comercial do bagaço de cana-de-açúcar. Nesse estudo, extraiu-se enzimaticamente a hemicelulose do bagaço visando utilizá-la como aditivos na indústria de papel e celulose. Inicialmente, o bagaço foi pré-tratado pelo processo quimiotermomecânico, em solução sulfito alcalino (10% Na2SO3 e 5% NaOH), 120 oC, 2 h. O pré-tratamento removeu 49,1% de lignina e 16,1% de xilana do bagaço, houve uma pequena solubilização de glucana (9,0%) e alto rendimento de sólidos (73,6%). A extração enzimática das xilanas a partir do bagaço pré-tratado foi feita com 5 UI de xilanase comercial (Luminase) por grama de material, em tampão fosfato 50 mM, 50 ºC, pH 8 por 6 e 24 horas, obtendo-se 15% e 28% de rendimento de xilana, respectivamente, determinada quimicamente pelos conteúdos de xilose e arabinose. As xilanas solubilizadas do bagaço pré-tratado com a xilanase comercial por 6 horas foram precipitadas em 15% e 30% de etanol. Recuperou-se 2 frações, denominadas Xilanas 1 e 2, que apresentaram massas molares médias de 34.180 g/mol e 28.130 g/mol, respectivamente, e grau de substituição mais elevado (0,16-0,19). O restante do material foi concentrado e denominado Xilana 3. As xilanas extraídas enzimaticamente por 24 horas foram liofilizadas e denominada Xilana 4. As Xilanas 3 e 4 possuem características semelhantes, como baixas massas molares (2.890-3.660 g/mol) e graus de substituição (0,13-0,14), porém com grandes quantidades de impurezas. As xilanas obtidas foram submetidas ao processo de adsorção em polpas celulósicas \"kraft\" de eucalipto, marrom e deslignificada, em pH 10, consistência de 5% (m/v) e 10% de relação xilana/celulose (m/m). A adsorção em celulose ocorreu para as xilanas com menor grau de substituição e o aumento da concentração de xilanas com menores massas molares aumentou as taxas de adsorção. Em função desses resultados, conclui-se que a extração enzimática de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado quimiotermomecanicamente com sulfito alcalino produziu majoritariamente xilanas de baixa massa molar e pouco substituídas, que foram eficientes durante processo de adsorção à polpa celulósica e podem ser exploradas para redeposição em polpa celulósica visando melhorar as características da fibra e aumentar o rendimento do processo. / In a celulose pulp factory, most of the hemicellulose are dissolved in the black liquor and burn in the alkali recovery process. For this reason, the replacement of the dissolved hemicelluloses back to the fiber is one of the alternatives for the retention of hemicellulose in the pulps, which increases the yield of the process and produces high quality pulps. Brazil has the largest sugarcane crop in the world, the bagasse generated in large quantities constitutes a potential cheap and abundant source of hemicellulose for use in biotechnological processes. The utilization of this fraction of the lignocellulosic material can increase the commercial value of sugarcane bagasse. In this study, hemicellulose was extracted enzymatically from the bagasse to be used as additives in the pulp and paper industry. Initially, the bagasse was pretreated by the chemothermomechanical process, in alkaline sulfite solution (10% Na2SO3 and 5% NaOH), 120 ?, 2h. The pretreatment removed 49.1% of lignin and 16.1% of xylan from the bagasse, there was a small solubilization of glucan (9.0%) and high solids yield (73.6%). Enzymatic extraction of xylan from pretreated bagasse was made with 5 IU of commercial xylanase (Luminase) per gram of material, in 50 mM phosphate buffer, 50 °C, pH 8 by 6 and 24 hours, obtaining 15% and 28% xylan yield, respectively, determined chemically by the contents of xylose and arabinose. The solubilized xylans of pre-treated bagasse with the commercial xylanase for 6 hours were precipitated in 15% and 30% ethanol. Two fractions, named Xylans 1 and 2, were recovered, having average molar masses of 34.180 g/mol and 28.130 g/mol, respectively, and a higher degree of substitution (0,16-0,19). The remainder material was concentrated and named Xylan 3. Xylans extracted enzymatically for 24 hours were lyophilized and named Xylan 4. Xylans 3 and 4 had the same similar characteristics as low molar masses (2.890-3.660 g / mol) and degrees of substitution (0,12-0,14), but with large amounts of impurities. The xylans were submitted to the adsorption process in cellulosic pulps of eucalyptus, brown and delignified, in pH 10, consistency of 5% (m/v) and 10% ratio xylan mass/cellulose mass (m/m). The adsorption in cellulose occurred for the xylan with lower degree of substitution and the increase of the xylan concentration with smaller molar masses increased the adsorption rates. Based on the results, it was concluded that the enzymatic extraction of sugarcane bagasse pretreated chemothermically with alkali sulphite produced mainly xylans of low molar mass and degree of substitution, which were efficient during the adsorption process to the cellulosic pulp and can be used for redeposition in cellulosic pulp in order to improve the characteristics of the fiber and increase the process yield.

A biomassa lignocelulósica, como o bagaço de cana-de-açúcar, tem potencial para ser usado como matéria-prima na fabricação de produtos de valor agregado, uma vez que, seus componentes estruturais podem ser separados através de pré-tratamentos e utilizados em linhas de processos. Diferentes tipos de pré-tratamentos tem sido desenvolvidos com este objetivo, e neste contexto, foi proposto um tratamento sequencial químico-enzimático (SQE) do bagaço de cana-de-açúcar com três estágios; 1) Extração alcalina a frio (CAE): realizado com 10% (m/m) de NaOH por 30 min a 25ºC, 2) Pré-tratamento sulfito alcalino em etanol (ASE): realizado com 2,5% (m/m) de NaOH e 5% (m/m) de Na2SO3 em etanol (30 %v/v), por 2 h a 120ºC e 3) Extração enzimática da hemicelulose residual (EEH): conduzida com extrato comercial de xilanase (Luminase) a 5UI/g de biomassa em tampão fosfato de sódio 50 mM, pH 8 a 50ºC, por 6 horas e 24 horas. O tratamento SQE permitiu a solubilização de 48% e 60% da hemicelulose e 86% e 84% da lignina original do bagaço, diferenças obtidas em função do tempo de extração enzimática de 6 e 24 horas, respectivamente. Os sólidos resultantes da segunda etapa do pré-tratamento (polpa-P2) e da terceira etapa (polpa-P3) foram hidrolisados com o coquetel enzimático Cellic Ctec2 (10 FPU/g de glucana) por 48h a 50ºC, pH 4,8, nas consistências de 5%, 10% e 15% m/v. A extração enzimática de hemiceluloses (terceira etapa do tratamento SQE) da polpa-P2 não contribuiu com a hidrólise de celulose. Na consistência de 5%, as polpas P2 e P3 apresentaram 95 e 94% de conversão de celulose em 24h, valores similares foram obtidos para as polpas na consistência de 10%, porém em 48h de reação. A conversão de celulose das polpas P2 e P3 em 48h, a 15% de consistência, diminuiu para 84% e 81%, respectivamente. A polpa P3, proveniente da extração enzimática das hemiceluloses por 24h, apresentou um menor valor de conversão de celulose (74%), a 15% de consistência, evidenciando-se o efeito negativo da extração adicional de hemicelulose sobre a hidrólise da celulose. Embora não tenham sido observadas diferenças significativas nas porcentagens de conversão de celulose nas polpas P2 e P3, a implementação das três etapas de pré-tratamentos possibilitou a obtenção de duas frações diferentes de hemiceluloses, que foram recuperadas por precipitação com etanol, cada uma delas com características e aplicações potenciais diferentes. A composição química das hemiceluloses extraídas do bagaço de cana as define como arabinoxilana. As condições operacionais utilizadas na primeira etapa (CAE) do tratamento SQE gerou xilanas com maiores massas molares (34.598 g/mol) e mais contaminadas com lignina (18%) comparadas às xilanas recuperadas na terceira etapa (EEH), que apresentaram massas molares entre 9.948-11.678g/mol com 1,5- 3,5% de lignina. Nestas últimas foram identificados a presença de xilooligossacarideos (XOS) como xilotriose (X3), xilotetraose (X4) e xilopentaose (X5). / Lignocellulosic biomass such as sugarcane bagasse has the potential to be used as raw material in the manufacture of value-added products, since its structural components can be separated through pre-treatments and used in process lines. Different types of pretreatments have been developed with this objective, and in this context, a sequential chemical-enzymatic treatment (SQE) of three-stage sugarcane bagasse was proposed. 1) Cold alkaline extraction (CAE): performed with 10% (w/w) NaOH for 30 min at 25ºC, 2) Alkaline sulfite etanol pre-treatment (ASE): performed with 2.5% (w/w) NaOH and 5% (w/w) Na2SO3 in ethanol (30% v/v) for 2h at 120ºC and 3) Enzymatic extraction of residual hemicellulose (EEH): Conducted with commercial extract of xylanase (Luminase) at 5UI/g biomass in 50mM sodium phosphate buffer, pH 8 at 50ºC, for 6h and 24h. The SQE treatment allowed the solubilization of 48% and 60% of the hemicellulose and 86% and 84% of the original bagasse lignin, differences obtained as a function of the enzymatic extraction time of 6 and 24 hours, respectively. The solids resulting from the second stage (pulp P2) and the third stage (pulp P3) of the pretreatment were hydrolyzed with the enzymatic cocktail Cellic Ctec2 (10FPU/g glucan) for 48h at 50ºC pH 4.8, in the consistencies of 5%, 10% and 15% m/v. The enzymatic extraction of hemicelluloses (third stage of the treatment SQA) of the pulp-P2 did not contribute to the hydrolysis of cellulose. At the consistency of 5%, pulps P2 and P3 presented 95 and 94% of cellulose conversion in 24h, similar values were obtained for those pulps in the consistency of 10%, but in 48h of reaction. The cellulose conversion of pulps P2 and P3 in 48h, at 15% consistency decreased to 84% and 81%, respectively. The pulp P3, from the enzymatic extraction of the hemicelluloses for 24h, presented a lower value of cellulose conversion (74%), at 15% of consistency, evidencing the negative effect of the additional extraction of hemicellulose on the hydrolysis of cellulose. Although no significant differences were observed in the cellulose conversion percentages in the P2 and P3 pulps, the implementation of the three pretreatment steps allowed two different fractions of hemicelluloses to be obtained, which were recovered by precipitation with ethanol, each with characteristics and potential applications. The chemical composition of the hemicelluloses extracted from the sugarcane bagasse describes them as arabinoxylan. The operating conditions used in the first stage (CAE) of the SQE treatment generated xylans with higher molar masses (34,598 g/mol) and more lignin contaminants (18%) compared to the third stage (EEH) recovered xylans, which presented molar masses between 9,948-11,678g/mol with 1.5-3.5% lignin. In the latter, the presence of xylo-oligosaccharides (XOS) such as xylotriose (X3), xylotetraose (X4) and xylopentaose (X5) were identified.

A biomassa lignocelulósica, como o bagaço de cana-de-açúcar, tem potencial para ser usado como matéria-prima na fabricação de produtos de valor agregado, uma vez que, seus componentes estruturais podem ser separados através de pré-tratamentos e utilizados em linhas de processos. Diferentes tipos de pré-tratamentos tem sido desenvolvidos com este objetivo, e neste contexto, foi proposto um tratamento sequencial químico-enzimático (SQE) do bagaço de cana-de-açúcar com três estágios; 1) Extração alcalina a frio (CAE): realizado com 10% (m/m) de NaOH por 30 min a 25ºC, 2) Pré-tratamento sulfito alcalino em etanol (ASE): realizado com 2,5% (m/m) de NaOH e 5% (m/m) de Na2SO3 em etanol (30 %v/v), por 2 h a 120ºC e 3) Extração enzimática da hemicelulose residual (EEH): conduzida com extrato comercial de xilanase (Luminase) a 5UI/g de biomassa em tampão fosfato de sódio 50 mM, pH 8 a 50ºC, por 6 horas e 24 horas. O tratamento SQE permitiu a solubilização de 48% e 60% da hemicelulose e 86% e 84% da lignina original do bagaço, diferenças obtidas em função do tempo de extração enzimática de 6 e 24 horas, respectivamente. Os sólidos resultantes da segunda etapa do pré-tratamento (polpa-P2) e da terceira etapa (polpa-P3) foram hidrolisados com o coquetel enzimático Cellic Ctec2 (10 FPU/g de glucana) por 48h a 50ºC, pH 4,8, nas consistências de 5%, 10% e 15% m/v. A extração enzimática de hemiceluloses (terceira etapa do tratamento SQE) da polpa-P2 não contribuiu com a hidrólise de celulose. Na consistência de 5%, as polpas P2 e P3 apresentaram 95 e 94% de conversão de celulose em 24h, valores similares foram obtidos para as polpas na consistência de 10%, porém em 48h de reação. A conversão de celulose das polpas P2 e P3 em 48h, a 15% de consistência, diminuiu para 84% e 81%, respectivamente. A polpa P3, proveniente da extração enzimática das hemiceluloses por 24h, apresentou um menor valor de conversão de celulose (74%), a 15% de consistência, evidenciando-se o efeito negativo da extração adicional de hemicelulose sobre a hidrólise da celulose. Embora não tenham sido observadas diferenças significativas nas porcentagens de conversão de celulose nas polpas P2 e P3, a implementação das três etapas de pré-tratamentos possibilitou a obtenção de duas frações diferentes de hemiceluloses, que foram recuperadas por precipitação com etanol, cada uma delas com características e aplicações potenciais diferentes. A composição química das hemiceluloses extraídas do bagaço de cana as define como arabinoxilana. As condições operacionais utilizadas na primeira etapa (CAE) do tratamento SQE gerou xilanas com maiores massas molares (34.598 g/mol) e mais contaminadas com lignina (18%) comparadas às xilanas recuperadas na terceira etapa (EEH), que apresentaram massas molares entre 9.948-11.678g/mol com 1,5- 3,5% de lignina. Nestas últimas foram identificados a presença de xilooligossacarideos (XOS) como xilotriose (X3), xilotetraose (X4) e xilopentaose (X5). / Lignocellulosic biomass such as sugarcane bagasse has the potential to be used as raw material in the manufacture of value-added products, since its structural components can be separated through pre-treatments and used in process lines. Different types of pretreatments have been developed with this objective, and in this context, a sequential chemical-enzymatic treatment (SQE) of three-stage sugarcane bagasse was proposed. 1) Cold alkaline extraction (CAE): performed with 10% (w/w) NaOH for 30 min at 25ºC, 2) Alkaline sulfite etanol pre-treatment (ASE): performed with 2.5% (w/w) NaOH and 5% (w/w) Na2SO3 in ethanol (30% v/v) for 2h at 120ºC and 3) Enzymatic extraction of residual hemicellulose (EEH): Conducted with commercial extract of xylanase (Luminase) at 5UI/g biomass in 50mM sodium phosphate buffer, pH 8 at 50ºC, for 6h and 24h. The SQE treatment allowed the solubilization of 48% and 60% of the hemicellulose and 86% and 84% of the original bagasse lignin, differences obtained as a function of the enzymatic extraction time of 6 and 24 hours, respectively. The solids resulting from the second stage (pulp P2) and the third stage (pulp P3) of the pretreatment were hydrolyzed with the enzymatic cocktail Cellic Ctec2 (10FPU/g glucan) for 48h at 50ºC pH 4.8, in the consistencies of 5%, 10% and 15% m/v. The enzymatic extraction of hemicelluloses (third stage of the treatment SQA) of the pulp-P2 did not contribute to the hydrolysis of cellulose. At the consistency of 5%, pulps P2 and P3 presented 95 and 94% of cellulose conversion in 24h, similar values were obtained for those pulps in the consistency of 10%, but in 48h of reaction. The cellulose conversion of pulps P2 and P3 in 48h, at 15% consistency decreased to 84% and 81%, respectively. The pulp P3, from the enzymatic extraction of the hemicelluloses for 24h, presented a lower value of cellulose conversion (74%), at 15% of consistency, evidencing the negative effect of the additional extraction of hemicellulose on the hydrolysis of cellulose. Although no significant differences were observed in the cellulose conversion percentages in the P2 and P3 pulps, the implementation of the three pretreatment steps allowed two different fractions of hemicelluloses to be obtained, which were recovered by precipitation with ethanol, each with characteristics and potential applications. The chemical composition of the hemicelluloses extracted from the sugarcane bagasse describes them as arabinoxylan. The operating conditions used in the first stage (CAE) of the SQE treatment generated xylans with higher molar masses (34,598 g/mol) and more lignin contaminants (18%) compared to the third stage (EEH) recovered xylans, which presented molar masses between 9,948-11,678g/mol with 1.5-3.5% lignin. In the latter, the presence of xylo-oligosaccharides (XOS) such as xylotriose (X3), xylotetraose (X4) and xylopentaose (X5) were identified.