Bioethanol production utilizing fungal enzyme extracts and different processing methods - Visser, Evan Michael (2013)
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.