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Título: Produção de celulases por Aspergillus fumigatus através da fermentação em estado sólido e recuperação e purificação por extração micelar em duas fases aquosas
Autor(es): Oliveira Júnior, Sérgio Dantas de
Palavras-chave: Fermentação em estado sólido;Enzimas celulases;Bagaço de cana-de-açúcar;Aspergillus fumigatus;Nanocristais de celulose
Data do documento: 22-Fev-2018
Citação: OLIVEIRA JÚNIOR, Sérgio Dantas de. Produção de celulases por Aspergillus fumigatus através da fermentação em estado sólido e recuperação e purificação por extração micelar em duas fases aquosas. 2018. 143f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Resumo: Threats to sustainability stemming from industrial development, energy dependency and the exponential demand for food production have led to the growing interest of alternative and renewable sources of energy such as plant biomass. In this scenario, the viability of ethanol from biomass (second generation ethanol (2G)), which does not generate competition for arable land, such as sugarcane bagasse, coconut fiber and the cashew peduncle. Enzymatic hydrolysis is an important step in the production of 2G ethanol. However, the producing costs of cellulases is still a bottleneck of the process. Thus, the aim of this work was to contribute in the reduction of cellulase production costs using residues from Brazilian industry, e.g. sugarcane bagasse, coconut fiber and cashew peduncle fiber, for the purpose of cellulases production by solid state fermentation (SSF) through an experimental planning using the Aspergillus fumigatus as microorganism. Initially, the three lignocellulosic fibers were characterized and used to measure the potential of cellulase production by SSF. Then, alkaline pre-treatments (NaOH and Ca(OH)2) were applied to the residue that presented cellulolytic activity (CMCase and FPase) and the total protein content. The enzymatic extract produced was used for the cellulose nanocrystals production (NNC). Recovery and purification of the cellulases were performed using the Two Phase Aqueous Micellar System (ATPMS). The characterization results showed the following composition: sugarcane bagasse (39.25% ± 5.49 cellulose, 25.20% ± 1.13 hemicellulose and 18.82% ± 0.01 lignin) , coconut fiber (36.23 ± 0.09 cellulose, 27.79 ± 0.37 hemicellulose and 30.23 ± 0.12 lignin); and cashew peduncle fiber (21.02% ± 0.31 cellulose, 11.50% ± 1.13 hemicellulose and 45.84% ± 1.28 lignin). Under optimized conditions, the activities of FPase (0.64 IU/g) and CMCase (4.28 IU/ g) and total proteins of 0.28 mg / mL were obtained. The CMCase activity was stable at 60 °C showing a relative activity of 70%, whereas FPase showed a stability of 30% at 50 °C. The pretreated of sugarcane bagasse using NaOH had a cellulose content of 56.63% ± 0.10; hemicellulose content of 19.23% ± 1.69 and lignin content of 9.92% ± 1.19. The produced of nanocrystals presented the best shape and size after 48h of hydrolysis, with a circular shape. The use of ATPMS allowed the recovery and the purification of the enzyme with partition coefficient (K) of 9.33 for the enzyme CMCase and of 5.00 for the enzyme FPase both at 60 °C. The purification factor for CMCase was 10.89 and for the FPase of 0.65. In the present study, the solid state fermentation conditions were optimized for the production of cellulases by A. fumigatus, the enzymes were applied in the enzymatic hydrolysis for the generation of cellulose nanocrystals successfully, and the purification technique applied in the cellulases can be considered a promising alternative.
metadata.dc.description.resumo: Ameaças à sustentabilidade decorrente do desenvolvimento industrial, a dependência energética e a demanda exponencial pela produção de alimentos têm levado ao crescente interesse de fontes alternativas e renováveis de energia como, por exemplo, a biomassa vegetal. Neste cenário, a viabilização do etanol a partir de biomassa (etanol de segunda geração (2G)), que não gere competição por terra cultivável, tais como bagaço de cana-de-açúcar, fibra coco e o pedúnculo de caju. A hidrólise enzimática é etapa importante na produção de etanol 2G. Entretanto, o custo de produção das celulases ainda é um gargalo no processo. Neste cenário, a viabilização da utilização dessas biomassas neste trabalho teve como objetivo avaliar a de produção celulases utilizando resíduos provenientes da indústria brasileira, o bagaço de cana-de-açúcar, fibra de coco e a fibra do pedúnculo de caju, para produção de celulases por fermentação em estado sólido (FES) através de um planejamento experimental com o microrganismo Aspergillus fumigatus. Inicialmente, as três fibras lignocelulósicas foram caracterizadas e usadas para se avaliar o potencial de produção de celulases por FES. Em seguida, aplicou-se os pré-tratamentos alcalinos (NaOH e Ca(OH)2) no resíduo que apresentou as maiores atividades celulolíticas (CMCase e FPase) produzidas e o teor de proteínas totais. O extrato enzimático produzido foi utilizado para produção de nanocristais de celulose (NNC). A recuperação e a purificação das celulases foi realizada usando-se o Sistema Micelar de Duas Fases Aquosas (SMDFA) com o Triton X-114 como surfactante. Os resultados da caracterização mostraram a seguinte composição: bagaço de cana-de-açúcar (39,25% ± 5,49 de celulose; 25,20% ± 1,13 de hemicelulose e 18,82% ± 0,01 de lignina), fibra de coco (36,23% ± 0,09 de celulose; 27,79% ± 0,37 de hemicelulose e 30,23% ± 0,12 de lignina); e fibra do pedúnculo de caju (21,02% ± 0,31 de celulose; 11,50% ± 1,13 de hemicelulose e 45,84% ± 1,28 de lignina). Em condições otimizadas obteve-se as atividades de FPase (0,64 UI/g) e CMCase (4,28 UI/g) e proteínas totais de 0,28 mg/mL. A atividade de CMCase foi estável à 60 °C apresentando atividade relativa de 70%, enquanto que FPase apresentou uma estabilidade de 30% à 50 °C. O bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado com NaOH apresentou teor de celulose de 56,63% ± 0,10; teor de hemicelulose de 19,23% ± 1,69 e teor de lignina de 9,92% ± 1,19. Os nanocristais produzidos apresentaram a melhor forma e tamanho após 48h de hidrólise, com formato circulares. O uso do SMDFA permitiu recuperar e purificar a enzima com coeficiente de partição (K) de 9,33 para a enzima CMCase e de 5,00 para a enzima FPase ambas à 60 °C. O fator de purificação para CMCase foi 10,89 e para a FPase de 0,65. No presente estudo, as condições de fermentação em estado sólido foram otimizadas para a produção de celulases por A. fumigatus. As enzimas foram aplicadas na hidrólise enzimática para a geração de nanocristais de celulose com êxito, e a técnica de purificação aplicada nas celulases pode ser considerada uma alternativa promissora.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/25229
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