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Previous issue date: 2016-03-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The use of a simplified consolidated bioprocess for the conversion of biomass using
enzymes produced in-house (integrated into the process of converting lignocellulosic
biomass) may enable significant increases in the production of bioethanol, without the need
for expansion of cultivated area. With this motivation, the present work had as objective the
study of the steps of production of (hemi)cellulases by solid-state fermentation (SSF) and the
use of whole fermentation medium (WFM) for saccharification of biomass and subsequent
alcoholic fermentation within the context of a consolidated bioprocess for the 2G ethanol
production. To this end, firstly, the selection of the cultivation conditions for the production
of enzymes directly using the sugarcane bagasse pretreated by steam explosion (SEB) as SSF
substrate was studied. Thus, different fungi were cultivated in isolation and in co-cultivation,
including the study of the use of wheat bran and lactose as inducers in the production of
enzymes. In order to optimize the enzymatic hydrolysis (EH) step with the WFM from SSF, it
was evaluated the influence of the operating parameters and the use of soy protein, Tween 80,
PEG 1500 and bovine serum albumin (BSA) as additives. Finally, the alcoholic fermentation
step was performed for the selected condition for the overall validation of this bioprocess. The
results obtained in the conditions which maximize the production of enzymes, using SEB as
substrate, were: addition of lactose at 0.075 g/g of substrate and wheat bran in the mass ratio
1:1 relative to the substrate, which led to an increase of activity of 73% for beta-glucosidase,
67% for endoglucanase, and 72% for xylanase, compared to the control condition using SEB
as the substrate, without the presence of lactose or wheat bran. Cultivations under SSF
followed by the EH step with the WFM showed that the co-cultivation were, in most cases,
better in the conversion of SEB into fermentable sugars. The co-cultivation that presented the
best result when compared to the best-isolated cultivation of Aspergillus niger was the
Trichoderma reesei with Aspergillus oryzae, which has promoted an increase of 47% in the
glucose production. The evaluation of operating parameters (pH, temperature and stirring)
during the enzymatic hydrolysis step with the WFM from SSF showed that the
saccharification process performed under the condition of pH 4.8, 200 RPM and 50 °C
presented the best conversion of lignocellulosic biomass. This operational condition is the
same already used in the conventional process of enzymatic hydrolysis with commercial
extract enzymes. The addition of additives (soy protein and Tween 80) improved the
saccharification process, whereas the addition of soy protein (0.5% w/v) lead to a 50%
increase in glucose release. The alcoholic fermentation carried out for validating the overall
integration process at the best condition of cultivation /hydrolysis gave a yield of 83.5% of the
theoretical yield and volumetric productivity of ethanol (QP) 4.77 g/L.h. These results show
that all process steps can be performed sequentially in the same reactor, thus denoting the
proposed consolidated bioprocess. / A utilização de um bioprocesso consolidado simplificado para a conversão de
biomassa usando enzimas produzidas in-house (integrada ao processo de conversão da
biomassa lignocelulósica) pode possibilitar incrementos significativos na produção de
bioetanol, sem a necessidade de expansão da área cultivada. Com esta motivação, o presente
trabalho teve como objetivo o estudo das etapas de produção de (hemi)celulases por
fermentação em estado sólido (FES) e a utilização do meio fermentado integral (MFI) para
sacarificação da biomassa e posterior fermentação alcoólica, dentro do contexto de um
bioprocesso consolidado para a produção de etanol 2G. Para este fim, primeiramente, foi
estudada a seleção das condições de cultivo para a produção de enzimas usando diretamente o
bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor (BEX) como substrato da FES.
Assim, diferentes fungos foram cultivados de forma isolada e em cocultivo, incluindo o
estudo de farelo de trigo e lactose como indutores na produção de enzimas. Para otimizar a
etapa de hidrólise enzimática (HE) com o MFI da FES, avaliou-se a influência dos parâmetros
operacionais e o uso de proteína de soja, Tween 80, PEG 1500 e albumina de soro bovino
(BSA) como aditivos. Por fim, para a melhor condição foi realizada a etapa de fermentação
alcoólica para a validação global deste bioprocesso. Os resultados obtidos para as condições
que maximizam a produção de enzimas, utilizando o BEX como substrato, foram: inserção de
lactose na concentração de 0,075 g/g de substrato e farelo de trigo na proporção 1:1 em massa
em relação ao substrato, o que levou a um aumento de atividade de 73% para betaglicosidase,
67% para endoglucanase e 72% para xilanase, em relação à condição controle utilizando
apenas BEX como substrato, sem a presença de lactose ou farelo. Os cultivos em FES
seguidos pela etapa de HE com o MFI mostrou que os cocultivos foram, na maioria dos casos,
melhores na conversão do BEX a açúcares fermentescíveis. O cocultivo que apresentou o
melhor resultado quando comparado ao melhor cultivo isolado de Aspergillus niger foi o de
Trichoderma reesei com Aspergillus oryzae, o qual promoveu um aumento de 47% na
produção de glicose. A avaliação dos parâmetros operacionais (pH, temperatura e agitação)
durante a etapa de hidrólise enzimática com o MFI da FES mostrou que o processo de
sacarificação realizado sob a condição de pH 4,8, 200 rpm e 50 ºC apresentou a melhor
conversão da biomassa lignocelulósica. Essa condição operacional é a mesma já empregada
no processo convencional de HE com extrato comercial de enzimas. A utilização de aditivos
(proteína de soja e Tween 80) melhorou o processo de sacarificação, sendo que a adição da
proteína de soja (0,5%, m/v) promoveu um aumento de 50% na liberação de glicose. Assim,
realizou-se a fermentação alcoólica para a validação do processo global de integração para a
melhor condição do conjunto cultivo/hidrólise, obtendo-se um rendimento de etanol de 83,5%
do rendimento teórico e uma produtividade volumétrica de etanol (QP) de 4,77 g/L.h. Esses
resultados permitiram a validação do bioprocesso consolidado proposto, indicando que todas
as etapas podem ser realizadas sequencialmente no mesmo reator.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/7407 |
| Date | 01 March 2016 |
| Creators | Maehara, Larissa |
| Contributors | Farinas, Cristiane Sanchez, Silva, Adilson José da |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Câmpus São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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