Publicação
Strategies for enhanced enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass
| Resumo: | A mitigação das alterações climáticas, a produção sustentável de combustíveis e materiais, e o alarmante aquecimento global estão a impulsionar investigadores, indústrias e governos a dirigirem-se para uma transição obrigatória de combustíveis fósseis para biomassa renovável. Neste contexto, as biorefinerías desempenham um papel importante na bioconversão de biomassa renovável, tal como materiais lignocelulósicos, através de uma série de processos (plataformas bioquímicas e termoquímicas) que resultam em combustíveis e produtos químicos. A plataforma de açúcares na biorefinería, onde são utilizadas enzimas ou produtos químicos, é uma escolha viável para obter unidades elementares (building blocks) de açucares para futuros processos de fermentação. A imobilização de enzimas e o desenho de reatores são domínios críticos que melhoram a utilização de enzimas utilizadas na hidrólise de biomassa lignocellulósica. Neste âmbito, um cocktail de celulases formam imobilizadas em nanopartículas magnéticas revestidas de quitosano. O sistema desenvolvido foi capaz de ser reutilizado até 13 ciclos, utilizando carboximetilcelulose como substrato representando um incremento de 8.2 vezes de glucose obtida por massa de enzima utilizada. O desafio e a importância de testar celulase imobilizada em a biomassa lignocelulosica levou à utilização do caroço de milho como biomassa modelo para avaliar a eficiência do sistema proposto. O caroço de milho prétratado hidrotermicamente – fração rica em conteúdo de celulose – foi utilizado como substrato [carga de sólidos de 5% (p/v)] para avaliar o potencial de hidrólise da celulase imobilizada, obtendo-se 22 g/L de glucose que corresponde a um de rendimento de conversão de 65%. Além disso, o projeto do reator deve ultrapassar as principais restrições do processo de hidrólise enzimática com carga de sólidos elevada que engloba a deficiente transferência de massa e calor, condições reológicas desafiantes e a inibição enzimática. Assim, uma segunda estratégia abordada neste trabalho foi a utilização do reator de fluxo oscilatório, conhecido pela sua capacidade de mistura. A avaliação atingiu uma carga máxima de caroço de milho pré-tratado hidrotermicamente de 18% (p/v) e, nestas condições desafiantes de cargas sólidas elevadas, resultou numa concentração de glucose de 100 g/L, representando um rendimento de sacarificação de 81% em 20 h. Posteriormente, foram estudadas estratégias de fed-batch atingindo cargas sólidas de 25% (p/v) e rendimento de sacarificação de 97%. O desenvolvimento de um sistema de imobilização de enzima eficiente e o uso inovador do reator de fluxo oscilatório são os dois resultados principais desta tese que se destinava a contribuir nos desafios que tornam a hidrolise enzimática de materiais lignocelulósicos um passo crítico na transição a uma bioeconomia. |
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| Autores principais: | Zanuso Jiménez, Elisa |
| Assunto: | Biomassa lignocelulósica Biorefinería Imobilização de celulase Reator de fluxo oscilatório Cellulase immobilization Biorefinery Lignocellulosic biomass Oscillatory flow reactor |
| Ano: | 2022 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | A mitigação das alterações climáticas, a produção sustentável de combustíveis e materiais, e o alarmante aquecimento global estão a impulsionar investigadores, indústrias e governos a dirigirem-se para uma transição obrigatória de combustíveis fósseis para biomassa renovável. Neste contexto, as biorefinerías desempenham um papel importante na bioconversão de biomassa renovável, tal como materiais lignocelulósicos, através de uma série de processos (plataformas bioquímicas e termoquímicas) que resultam em combustíveis e produtos químicos. A plataforma de açúcares na biorefinería, onde são utilizadas enzimas ou produtos químicos, é uma escolha viável para obter unidades elementares (building blocks) de açucares para futuros processos de fermentação. A imobilização de enzimas e o desenho de reatores são domínios críticos que melhoram a utilização de enzimas utilizadas na hidrólise de biomassa lignocellulósica. Neste âmbito, um cocktail de celulases formam imobilizadas em nanopartículas magnéticas revestidas de quitosano. O sistema desenvolvido foi capaz de ser reutilizado até 13 ciclos, utilizando carboximetilcelulose como substrato representando um incremento de 8.2 vezes de glucose obtida por massa de enzima utilizada. O desafio e a importância de testar celulase imobilizada em a biomassa lignocelulosica levou à utilização do caroço de milho como biomassa modelo para avaliar a eficiência do sistema proposto. O caroço de milho prétratado hidrotermicamente – fração rica em conteúdo de celulose – foi utilizado como substrato [carga de sólidos de 5% (p/v)] para avaliar o potencial de hidrólise da celulase imobilizada, obtendo-se 22 g/L de glucose que corresponde a um de rendimento de conversão de 65%. Além disso, o projeto do reator deve ultrapassar as principais restrições do processo de hidrólise enzimática com carga de sólidos elevada que engloba a deficiente transferência de massa e calor, condições reológicas desafiantes e a inibição enzimática. Assim, uma segunda estratégia abordada neste trabalho foi a utilização do reator de fluxo oscilatório, conhecido pela sua capacidade de mistura. A avaliação atingiu uma carga máxima de caroço de milho pré-tratado hidrotermicamente de 18% (p/v) e, nestas condições desafiantes de cargas sólidas elevadas, resultou numa concentração de glucose de 100 g/L, representando um rendimento de sacarificação de 81% em 20 h. Posteriormente, foram estudadas estratégias de fed-batch atingindo cargas sólidas de 25% (p/v) e rendimento de sacarificação de 97%. O desenvolvimento de um sistema de imobilização de enzima eficiente e o uso inovador do reator de fluxo oscilatório são os dois resultados principais desta tese que se destinava a contribuir nos desafios que tornam a hidrolise enzimática de materiais lignocelulósicos um passo crítico na transição a uma bioeconomia. |
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