Produção de coquetel enzimático rico em endoglucanase termoestável em biorreator de leito empacotado e sua aplicação na obtenção de nanocelulose

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Katayama, Eric Takashi
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16863
Resumo: Nanocellulose is a bioproduct with high added value obtained through the conversion of lignocellulosic biomass. Due to characteristics such as high aspect ratio, low toxicity, thermal stability and high crystallinity, nanocellulose has several applications. Obtaining nanocellulose through the enzymatic route stands out for being an environmentally friendly method, however studies are necessary to improve the efficiency of this process. In this sense, the use of an enzymatic cocktail with thermostable properties can be an interesting strategy for obtaining nanocellulose. In this work, the objective was to use the packaged bed bioreactor for the production of thermostable enzymatic cocktail and apply the enzymes to obtain nanocellulose. To obtain this cocktail, the thermophilic fungus M. thermophila was cultivated by fermentation in solid state on a small scale using full factorial design varying the bagasse mass, soybean meal fraction and moisture. The selected cultivation conditions were replicated in a multilayer-packaged bed bioreactor. The enzymes were then used to hydrolyze cellulose pulp at temperatures of 50, 60 and 70 °C and convert the substrate into nanocellulose. The enzymatic extracts of the fungus M. thermophila obtained both on a small scale and in bioreactor showed the activities of endoglucanase around 200 U/g-substrate. The hydrolysis of the pulp performed at 60 °C showed better results, converting 60% of the cellulose, with yield of 16.2% of nanocellulose with 96 hours of hydrolysis. The nanomaterials obtained presented crystalline index of 77.4%. By FTIR it was possible to verify that the chemical compositions of the nanomaterials obtained were nanocellulose. On set temperatures were 152 to 194 °C. Atomic force microscopy showed that the obtained nanocrystals had an average length of 157 nm and an aspect ratio ranging from 1.1 to 10.0. Although the yield of nanocellulose is still lower when compared to that of acid hydrolysis, advances in enzymatic hydrolysis can still be obtained, investigating other possible enzymes that degrade lignocellulosic biomass, such as oxidative enzymes.
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Obtaining nanocellulose through the enzymatic route stands out for being an environmentally friendly method, however studies are necessary to improve the efficiency of this process. In this sense, the use of an enzymatic cocktail with thermostable properties can be an interesting strategy for obtaining nanocellulose. In this work, the objective was to use the packaged bed bioreactor for the production of thermostable enzymatic cocktail and apply the enzymes to obtain nanocellulose. To obtain this cocktail, the thermophilic fungus M. thermophila was cultivated by fermentation in solid state on a small scale using full factorial design varying the bagasse mass, soybean meal fraction and moisture. The selected cultivation conditions were replicated in a multilayer-packaged bed bioreactor. The enzymes were then used to hydrolyze cellulose pulp at temperatures of 50, 60 and 70 °C and convert the substrate into nanocellulose. The enzymatic extracts of the fungus M. thermophila obtained both on a small scale and in bioreactor showed the activities of endoglucanase around 200 U/g-substrate. The hydrolysis of the pulp performed at 60 °C showed better results, converting 60% of the cellulose, with yield of 16.2% of nanocellulose with 96 hours of hydrolysis. The nanomaterials obtained presented crystalline index of 77.4%. By FTIR it was possible to verify that the chemical compositions of the nanomaterials obtained were nanocellulose. On set temperatures were 152 to 194 °C. Atomic force microscopy showed that the obtained nanocrystals had an average length of 157 nm and an aspect ratio ranging from 1.1 to 10.0. Although the yield of nanocellulose is still lower when compared to that of acid hydrolysis, advances in enzymatic hydrolysis can still be obtained, investigating other possible enzymes that degrade lignocellulosic biomass, such as oxidative enzymes.Nanocelulose é um bioproduto com alto valor agregado obtido através da conversão da biomassa lignocelulósica. Devido a características como alta razão de aspecto, baixa toxicidade, estabilidade térmica e alta cristalinidade, a nanocelulose tem diversas aplicações. A obtenção de nanocelulose pela rota enzimática se destaca por ser um método ambientalmente amigável, porém ainda são necessários estudos para melhorar a eficiência desse e torna-la economicamente viável. Nesse sentido, a utilização de um coquetel enzimático com propriedades termoestáveis pode ser uma estratégia interessante para a obtenção de nanocelulose. Neste trabalho, utilizou-se um o biorreator de leito empacotado para a produção de coquetel enzimático termoestável e posterior aplicação na obtenção de nanocelulose. Para se obter esse coquetel, o fungo termofílico M. thermophila foi cultivado por fermentação em estado sólido em pequena escala utilizando como ferramenta o planejamento fatorial completo variando a massa de bagaço, a fração de farelo de soja e umidade. As condições de cultivo selecionadas foram replicadas em um biorreator de leito empacotado em multicamadas. O coquetel enzimático foi utilizado para hidrolisar polpa de celulose nas temperaturas de 50, 60 e 70 °C, e converter o substrato em nanocelulose. Os extratos enzimáticos do fungo M. thermophila obtidos tanto em pequena escala quanto em biorreator apresentaram atividades de endoglucanase em torno de 200 U/g-substrato. A hidrólise da polpa de celulose realizada a 60 °C por 96 horas apresentou melhores resultados, convertendo 60% da celulose, com rendimento de 16,2% de nanocelulose. Os nanomateriais obtidos apresentaram índice de cristalinidade de 77,4%. Pelo método de espectroscopia por FTIR foi possível verificar que as composições químicas dos nanomateriais obtidos eram de nanocelulose. As temperaturas “on set” apresentaram valores entre 152 a 194 °C. A microscopia de força atômica mostrou que foram obtidos nanocristais com comprimento médio de 157 nm e uma razão de aspecto que variou de 1,1 a 10,0. Apesar do rendimento de nanocelulose ainda ser inferior se comparado ao da hidrólise ácida, ainda podem ser obtidos avanços na hidrólise enzimática, investigando-se outras possíveis enzimas que degradam a biomassa lignocelulósica, como as enzimas oxidativas.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)FAPESP, grants #2019/25261–8, #2016/10636–8, #2018/00996–2, and #2018/10899–4CNPq, grant #30786/2018–2porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessNanoceluloseEndoglucanaseHidrólise enzimáticaFermentação em estado-sólidoBiorreator de leito empacotadoNanocelluloseEnzymatic hydrolysisSolid-state fermentationPacked-bed bioreactorENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICAProdução de coquetel enzimático rico em endoglucanase termoestável em biorreator de leito empacotado e sua aplicação na obtenção de nanoceluloseProduction of enzymatic cocktail rich with thermostable endoglucanase in packed bed bioreactor and its application in obtention of nanocelluloseinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600dd9ceb6c-d509-421a-a31e-bcb55bb21e02reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16863/4/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD54ORIGINALEric Katayama - Tese.pdfEric Katayama - Tese.pdfTese Eric Katayamaapplication/pdf2951992https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16863/1/Eric%20Katayama%20-%20Tese.pdfb0de76b3c0c31ba45008e135fe163554MD51Carta comprovante -Eric Katayama.pdfCarta comprovante -Eric Katayama.pdfCarta comprovanteapplication/pdf62370https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16863/3/Carta%20comprovante%20-Eric%20Katayama.pdf1a721504436e5f888bcf12454ec82100MD53TEXTEric Katayama - Tese.pdf.txtEric Katayama - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain222609https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16863/5/Eric%20Katayama%20-%20Tese.pdf.txt3c6796154caa413d2febcdc1b13e6fa2MD55Carta comprovante -Eric Katayama.pdf.txtCarta comprovante -Eric Katayama.pdf.txtExtracted texttext/plain1255https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16863/7/Carta%20comprovante%20-Eric%20Katayama.pdf.txt35eb7800a095cc309354c64bc4f02812MD57THUMBNAILEric Katayama - Tese.pdf.jpgEric Katayama - Tese.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6056https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16863/6/Eric%20Katayama%20-%20Tese.pdf.jpg6c94c49590007e402070f09823db7086MD56Carta comprovante -Eric Katayama.pdf.jpgCarta comprovante -Eric Katayama.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg13542https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16863/8/Carta%20comprovante%20-Eric%20Katayama.pdf.jpgfebb2f9b5e3c12920ff7d2591225fb3aMD58ufscar/168632023-09-18 18:32:33.531oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/16863Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:33Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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