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Previous issue date: 2013-09-20 / Financiadora de Estudos e Projetos / The main challenge on the conversion of lignocellulosic biomass into liquid fuels is the economic viability of this process. Thus, the commercialization of lignocellulosic ethanol is hindered mainly by the high costs of the enzyme preparations currently available cellulases - enzymes used in the saccharification step. Some strategies that can be adopted to reduce the enzymes costs include selecting microorganisms, use of cheaper raw materials and more efficient fermentation strategies such as the solid state fermentation (SSF) and efficient techniques for saccharification and fermentation. The aim this work was evaluate the use of the whole fermentation medium containing lignocellulosic biomass, fungal mycelium and enzymes in the hydrolysis of sugarcane bagasse pretreated by steam explosion for cellulosic ethanol production. In this context, a selection of filamentous fungi highly producing cellulases and hemicellulases, optimization operating conditions, such as humidity and temperature, were carried out for in house enzyme production using an instrumented bioreactor. Then, the efficiency of the whole fermentation medium and enzyme extract in enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass for cellulosic ethanol production was evaluated. Among the 40 fungal strains evaluated, two strains of A. oryzae (P6B2 and P27C3A) stood out. In addition, one strain of A. niger 3T5B8 and another of T. reesei RUT C30 were also evaluated in this study. The influence of the substrate initial moisture content and temperature on efficiency of cellulase and xylanase production by strains of A. oryzae, A. niger and T. reesei grown in SSF under conditions of forced aeration and static were evaluated. The initial moisture content of the substrate did not affect the production of cellulases and xylanases by strain of A. oryzae P27C3A, however higher moisture was better for enzyme production by strains of A. oryzae P6B2 and A. niger and lower moisture were better for the production of cellulases and xylanases by T. reesei in both cultive systems. Temperature 28°C was best for xylanase production by all the fungal strains, while higher temperatures was better cellulases production in both culture systems. The use of whole fermented medium of A. niger or T. reesei obtained in the bioreactor were better in the hydrolysis sugarcane bagasse pretreated by steam explosion (BPSE) than the enzymatic extract with a final conversion of 41.3 and 24.9% of theoretical, respectively. The combination of whole fermentation medium of strains of A. oryzae (P6B2 or P27C3A) obtained in flasks and ½ commercial enzyme hydrolysis also were efficient on BPSE hydrolysis (26.1 and 42.4% of theoretical, respectively). Nevertheless, the combination of whole fermented medium of A. oryzae P6B2 and enzymatic extract of A. niger obtained in flasks promoted a conversion of 65% and an ethanol yield of 84% of the theoretical value. As overall conclusion it was found that the use of whole fermented medium produced by fungi cultivated under solid state fermentation (SSF) in the BPSE hydrolysis resulted in similar or higher yields compared to the hydrolysis using the enzyme extract, giving clear indication that the extraction/filtration step of the enzyme can be eliminated. The use of the enzyme complex of A. oryzae P6B2 in combination with the enzymes of A. niger resulted in a BPSE hydrolysis more efficient when compared with other combinations, showing the importance of selecting microorganisms for high enzymes production. Moreover, the use of a single reactor system for performing enzyme production steps by SSF, saccharification and alcoholic fermentation may be performed, avoiding the need for steps separation. / A discussão dominante sobre a transformação da biomassa lignocelulósica a combustível líquido é a sua viabilidade econômica. Assim, a comercialização do etanol a partir de biomassa lignocelulósica é dificultada principalmente pelos custos proibitivos das preparações de celulases enzimas usadas na sacarificação. Algumas estratégias que podem ser adotadas para a redução do custo das enzimas utilizadas na degradação da biomassa incluem a seleção de micro-organismos altamente produtores de celulases e hemicelulases, utilização de matéria-prima mais barata e estratégias de fermentação a um custo efetivo - como a fermentação em estado sólido (FES) e técnicas mais eficientes de sacarificação e fermentação alcoólica. O objetivo deste trabalho foi avaliar a utilização do meio fermentado integral (MFI), contendo biomassa lignocelulósica, micélio fúngico e enzimas na hidrólise do bagaço de cana pré-tratado por explosão a vapor para produção de etanol celulósico. Neste contexto, realizou-se a seleção de fungos filamentosos isolados do solo de madeira em decomposição da Região Amazônica produtores de celulases e hemicelulases, otimizou-se as condições operacionais, como umidade e temperatura para a produção de enzimas in house utilizando biorreator de coluna instrumentado e por fim, avaliou-se a eficiência do MFI e (EE) na hidrólise enzimática da biomassa lignocelulósica para produção de etanol celulósico. Entre os 40 fungos caracterizados quanto à produção de enzimas envolvidas na degradação da lignocelulose, duas linhagens de A. oryzae (P6B2 e P27C3A) se destacaram em relação às demais. Além das linhagens de A. oryzae outras duas linhagens de fungos, uma de A. niger 3T5B8 e outra de T. reesei RUT C30 foram avaliadas neste trabalho, a fim de verificar a eficiência das linhagens isoladas do solo da Floresta Amazônica. A umidade inicial do substrato não influenciou na produção de celulases e xilanases pela linhagem de A. oryzae P27C3A, no entanto umidades elevadas foram melhores para a produção de enzimas pelas linhagens de A. oryzae P6B2 e A. niger e umidades baixas foram melhores para a produção de celulases e xilanases por T. reesei em ambos os sistemas de cultivo, forçado e estático. Com relação à temperatura de fermentação, 28ºC foi melhor para a produção de xilanases por todas as linhagens fúngicas e temperaturas mais elevadas favoreceram a produção de celulases pelos fungos. A utilização do MFI de A. niger ou T. reesei obtido em biorreator de coluna instrumentado foram melhores na hidrólise do bagaço de cana pré-tratado por explosão a vapor (BEX) do que o EE, com uma conversão final de 41,3 e 24,9% do valor teórico, respectivamente. A combinação de MFI das linhagens de A. oryzae (P6B2 ou P27C3A) obtida em Erlenmeyer e ½ de enzima comercial também favoreceram a hidrólise do BEX (26,1 e 42,4% do valor teórico, respectivamente). No entanto, a combinação de MFI de A. oryzae P6B2 e EE de A. niger obtido em Erlenmeyer promoveram uma conversão final de 65% e um rendimento de etanol de 84% do valor teórico. Vale salientar que foi utilizado na fermentação alcoólica o meio hidrolisado na íntegra, contendo açúcares, enzimas, biomassa lignocelulósica e micélio fúngico. Como conclusões gerais, constatou-se que a utilização de MFI produzido pelos fungos por FES na hidrólise do BEX resultou em rendimentos semelhantes ou mais elevados quando comparado com a hidrólise do BEX utilizando EE, dando a clara indicação de que o passo de extração/filtração das enzimas pode ser eliminado; a utilização do complexo enzimático de A. oryzae P6B2 em combinação com o complexo enzimático de A. niger resultou em uma hidrólise mais eficiente do BEX quando comparado com outras combinações, mostrando a importância da seleção de micro-organismos produtores de enzimas envolvidas na degradação da lignocelulose, para que a produção de etanol celulósico possa se tornar economicamente viável; e por fim, a utilização de um único sistema de reator para a realização das etapas de produção de enzimas por FES, sacarificação e fermentação alcoólica pode ser realizada, evitando-se a necessidade de etapas de filtração.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/268 |
| Date | 20 September 2013 |
| Creators | Pirota, Rosangela Donizete Perpetua Buzon |
| Contributors | Farinas, Cristiane Sanchez |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Biotecnologia, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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