Hidrólise enzimática em batelada alimentada de bagaço de cana-de-açúcar explodido a vapor : modelagem matemática e estudos de simulação do processo

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Moura, Marlon Gualberto Ganter de, 1992-
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/76059
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira Ramos
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spelling Moura, Marlon Gualberto Ganter de, 1992-Corazza, Marcos Lúcio, 1977-Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em QuímicaRamos, Luiz Pereira, 1960-2022-10-26T17:40:53Z2022-10-26T17:40:53Z2021https://hdl.handle.net/1884/76059Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira RamosCoorientador: Prof. Dr. Marcos Lúcio CorazzaDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 29/10/2021Inclui referências: p. 108-126Resumo: Amostras de bagaço de cana-de-açúcar de origem industrial foram pré-tratadas por explosão a vapor sob condições pré-otimizadas, lavadas com água para a remoção de inibidores e depois submetidas a experimentos de hidrólise enzimática com o objetivo de maximizar a produção de glucose. Ao todo, sete replicatas do pré-tratamento foram realizadas em condições de auto-hidrólise a 195 ºC por 7,5 min. Então, análises por cromatografia de fase líquida foram realizadas na fração solúvel em água oriunda do pré-tratamento e em hidrolisados ácidos e enzimáticos do material pré-tratado, de modo a avaliar seus efeitos sobre a composição química do bagaço e determinar os diferentes rendimentos de processo. De modo geral, experimentos realizados nas mesmas condições revelaram similaridades na composição química dos produtos de pré-tratamento e nos rendimentos de hidrólise enzimática conforme normativa aplicada para avaliar a acessibilidade enzimática do material pré-tratado. As frações solúveis em água derivadas das diversas condições de pré-tratamento revelaram altas concentrações de pentoses como axilose, além da inevitável formação de derivados furânicos, ácidos alifáticos e compostos fenólicos, que foram caracterizados por métodos cromatográficos de análise. A recuperação de glucanas, xilanas e lignina após o pré-tratamento, somando as frações solúvel e insolúvel em água, foi de 95%, 80% e 90% em média, respectivamente. A explosão a vapor do bagaço de cana revelou a possibilidade de uma remoção seletiva das hemiceluloses, produzindo materiais com teores de glucanas próximos a 55%, xilanas abaixo de 3% e lignina próximos a 33%. Em seguida, os experimentos de hidrólise enzimática foram organizados em um planejamento experimental Box-Behnken, que resultaram em diferentes valores de conversão de material em equivalentes de glucose. A enzima utilizada nesse trabalho foi a Cellic CTec3 (Novozymes), cuja atividade celulásica total foi de 225 FPU mL-1 e o teor de proteína total foi de 252,3 mg g-1 (peso úmido). A análise estatística dos dados experimentais indicou que o ponto de melhor rendimento de glucose livre após a hidrólise enzimática em batelada foi alcançado com o emprego de enzima de pelo menos 32,0 FPU g-1 de glucanas para teores de sólidos totais acima de 15%. Após a realização desses ensaios, os dados coletados foram utilizados em um modelo matemático proposto por Godoy et al. (2019) para realizar simulações em batelada e batelada alimentada. Para esse último regime, diferentes estratégias de alimentação foram realizadas com a adição tanto de carga de substrato, quanto de carga de enzima como catalisador da reação. Com isso, foi possível demonstrar a viabilidade da estratégia de sólidos totais em batelada alimentada, porque a conversão de glucanas para glucose livre aumentou quase 10%, passando de 84 g L-1 na melhor condição de batelada para 91 g L-1 em regime de batelada alimentada com alimentação intermitente de substrato e enzima.Abstract: Industrial samples of sugar cane bagasse were pretreated by steam explosion using pre-optimized conditions and enzymatic hydrolysis experiments were performed with water-washed pretreated materials to remove inhibitors and improve glucos eyields. Seven pretreatment experiments were carried out by steam explosion at 195 ºC and 7,5 min. Acid and enzymatic hydrolysates were analysed by liquid chromatography to yield bagasse chemical composition and pretreatment mass balances. In general, different batches using the same pretreatment conditions produced the same changes in chemical composition, mass balance and enzymatic hydrolysis yields, which were performed according to an international standard to assess substrate accessibility. Steam explosion water-solubles showed high pentose concentration (mostly xylose and xylo-oligomers), besides furan derivatives, aliphatic acids and phenolic compounds that were chacarterized and quantifies by chromatographic analysis. The total mass recovery of glucans, xylans and lignin were 95%, 80% and 90% in average, respectively, inclusing the moyieties found in water-soluble and water-insoluble fractions after the pretreatment. Steam explosion of sugarcane bagasse led to the selective removal of hemiceluloses, producing materials with glucan contents around 55%, low xylans (<3%) and 33% of lignin. Then, enzymatic hydrolysis experiments were organized in a Box-Behnken design and performed to release different values of glucose equivalents (glucose plus cellobiose), with cellobiose being a minor component of all reaction products. The best results were achieved using the highest levels of substrate total solids and enzyme loading. Cellic CTec3 (Novozymes) was the enzyme used in this study, whose total cellulase activity measured was 225 FPU mL-1 and total protein was 252.3 mg g-1 (wet weight). Statistical analysis of data showed that the best yield of free glucose after a batch enzymatic hydrolysis was achieved using at least 32 FPU g-1 of glucan in total solids above 15%. After these tests, data were collected and they were used in the mathematical model of Godoy et al. (2019) to simulate batch and fed-batch enzymatic hydrolysis. In fed-batch system, different feeding strategies were assessed with the addition of both substrate and enzyme loads (reaction catalyst). As a result, it was possible to show the feasibility of fed-batch enzymatic hydrolysis with high total solids, since the glucan conversion on to free glucose increased almost 10%, from 84 g L-1 on the best condition of batch system to 91 g L-1 on the fed-batch enzymatic hydrolysis with substrate and enzyme feeding.1 recurso online : PDF.application/pdfHidroliseEnzimasBagaço de canaModelagem matemáticaQuímicaHidrólise enzimática em batelada alimentada de bagaço de cana-de-açúcar explodido a vapor : modelagem matemática e estudos de simulação do processoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - MARLON GUALBERTO GANTER DE MOURA.pdfapplication/pdf4125402https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/76059/1/R%20-%20D%20-%20MARLON%20GUALBERTO%20GANTER%20DE%20MOURA.pdf61d5d644e455f75cdbe9d6e625fc6dfcMD51open access1884/760592022-10-26 14:40:53.89open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/76059Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-10-26T17:40:53Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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