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Título: Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
Autor(es): Souza Filho, Pedro Ferreira de
Palavras-chave: Palma Forrageira. Etanol Celulósico. Sacarificação e Fermentação Simultâneas. Celulase. Fermentação em Estado Semissólido;Cactus Pear. Cellulosic Ethanol. Simultaneous Saccharification and Fermentation. Cellulase. Semi-Solid State Fermentation
Data do documento: 9-Mai-2014
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citação: SOUZA FILHO, Pedro Ferreira de. Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas. 2014. 99 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2014.
Resumo: The need for new sources of energy and the concern about the environment have pushed the search for renewable energy sources such as ethanol. The use of lignocellulosic biomass as substrate appears as an important alternative because of the abundance of this raw material and for it does not compete with food production. However, the process still meets difficulties of implementation, including the cost for production of enzymes that degrade cellulose to fermentable sugars. The aim of this study was to evaluate the behavior of the species of cactus pear Opuntia ficus indica and Nopalea cochenillifera, commonly found in northeastern Brazil, as raw materials for the production of: 1) cellulosic ethanol by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process, using two different strains of Saccharomyces cerevisiae (PE-2 and LNF CA-11), and 2) cellulolytic enzymes by semi-solid state fermentation (SSSF) using the filamentous fungus Penicillium chrysogenum. Before alcoholic fermentation process, the material was conditioned and pretreated by three different strategies: alkaline hydrogen peroxide, alkaline using NaOH and acid using H2SO4 followed by alkaline delignification with NaOH. Analysis of composition, crystallinity and enzymatic digestibility were carried out with the material before and after pretreatment. In addition, scanning electron microscopy images were used to compare qualitatively the material and observe the effects of pretreatments. An experimental design 2² with triplicate at the central point was used to evaluate the influence of temperature (30, 40 and 45 °C) and the initial charge of substrate (3, 4 and 5% cellulose) in the SSF process using the material obtained through the best condition and testing both strains of S. cerevisiae, one of them flocculent (LNF CA-11). For cellulase production, the filamentous fungus P. chrysogenum was tested with N. cochenillifera in the raw condition (without pretreatment) and pretrated hydrothermically, varying the pH of the fermentative medium (3, 5 and 7). The characterization of cactus pear resulted in 31.55% cellulose, 17.12% hemicellulose and 10.25% lignin for N. cochenillifera and 34.86% cellulose, 19.97% hemicellulose and 15.72% lignin for O. ficus indica. It has also been determined, to N. cochenillifera and O. ficus indica, the content of pectin (5.44% and 5.55% of calcium pectate, respectively), extractives (26.90% and 9.69%, respectively) and ashes (5.40% and 5.95%). Pretreatment using alkaline hydrogen peroxide resulted in the best cellulose recovery results (86.16% for N. cochenillifera and 93.59% for O. ficus indica) and delignification (48.79% and 23.84% for N. cochenillifera and O. ficus indica, respectively). This pretreatment was also the only one which did not increase the crystallinity index of the samples, in the case of O. ficus indica. However, when analyzing the enzymatic digestibility of cellulose, alkali pretreatment was the one which showed the best yields and therefore it was chosen for the tests in SSF. The experiments showed higher yield of conversion of cellulose to ethanol by PE-2 strain using the pretreated N. cochenillifera (93.81%) at 40 °C using 4% initial charge of cellulose. N. cochenillifera gave better yields than O. ficus indica and PE-2 strain showed better performance than CA-11. N. cochenillifera proved to be a substrate that can be used in the SSSF for enzymes production, reaching values of 1.00 U/g of CMCase and 0.85 FPU/g. The pretreatment was not effective to increase the enzymatic activity values
metadata.dc.description.resumo: A necessidade de novas fontes de energia e a preocupação com o meio-ambiente têm impulsionado a pesquisa por fontes renováveis de energia, como o etanol. O uso de biomassa lignocelulósica como substrato aparece como uma importante alternativa devido à abundância desta matéria-prima e por não concorrer com a produção de alimentos. Entretanto, o processo ainda encontra dificuldades de implementação, entre elas o custo para produção das enzimas que degradam a celulose em açúcares fermentescíveis. O objetivo deste trabalho foi avaliar o comportamento das espécies de palma forrageira Opuntia ficus indica (gigante) e Nopalea cochenillifera (miúda), comumente encontradas na região Nordeste do Brasil, como matérias-primas para produção de: 1) etanol celulósico pelo processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SFS) usando duas cepas diferentes de Saccharomyces cerevisiae (PE-2 e LNF CA-11) e 2) enzimas celulolíticas através da fermentação em estado semissólido (FES) usando o fungo filamentoso Penicillium chrysogenum. Antes do processo de fermentação alcoólica, o material foi condicionado e pré-tratado por três diferentes estratégias: peróxido de hidrogênio alcalino, alcalino usando NaOH e ácido usando H2SO4 seguido de deslignificação alcalina com NaOH. Análises de composição, cristalinidade e digestibilidade enzimática foram feitas com o material antes e depois do pré-tratamento. Adicionalmente, imagens de microscopia eletrônica de varredura foram usadas para comparar qualitativamente o material e observar os efeitos dos pré-tratamentos. Um planejamento fatorial 2² com triplicata no ponto central foi utilizado para avaliar a influência da temperatura (30, 40 e 45 °C) e da carga inicial de substrato (3, 4 e 5% de celulose) no processo SFS, usando o material obtido nas melhores condições de pré-tratamento e testando duas cepas de S. cerevisiae, sendo uma delas floculante (LNF CA-11). Para a produção de celulase, o fungo filamentoso P. chrysogenum foi testado com a espécie de palma N. cochenillifera no estado in-natura (sem pré-tratamento) e submetida a um pré-tratamento hidrotérmico, variando-se o pH do meio fermentativo (3, 5 e 7). A caracterização das palmas forrageiras resultou em 31,55% de celulose, 17,12% de hemicelulose e 10,25% de lignina para a espécie N. cochenillifera e 34,86% de celulose, 19,97% de hemicelulose e 15,72% de lignina para a espécie O. ficus indica. Analisou-se ainda, para as palmas miúda e gigante, o teor de pectina (5,44% e 5,55% de pectato de cálcio, respectivamente), extrativos (26,90% e 9,69%, respectivamente) e cinzas (5,40% e 5,95%). O pré-tratamento usando peróxido de hidrogênio alcalino apresentou os melhores resultados de recuperação de celulose (86,16% para a palma miúda e 93,59% para a palma gigante) e de deslignificação (48,79% e 23,84% para as palmas miúda e gigante, respectivamente). Este pré-tratamento foi também o único a não elevar o índice de cristalinidade das amostras, no caso da palma gigante. Entretanto, quando analisada a digestibilidade enzimática da celulose, o pré-tratamento alcalino foi o que proporcionou os melhores rendimentos e, portanto, este foi o escolhido para os testes de SFS. Os experimentos demonstraram maior rendimento da conversão de celulose em etanol pela cepa PE-2 usando a palma miúda pré-tratada (93,81%) a 40 °C e usando 4% de carga inicial de celulose. A palma miúda demonstrou melhores rendimentos que a gigante e a cepa PE-2 resultou melhor desempenho que a CA-11. A palma miúda se mostrou um substrato possível de ser usado na FES para produção de enzimas, alcançando valores de 1,00 U/g de CMCase e 0,85 FPU/g. O pré-tratamento não se mostrou eficaz para aumentar os valores de atividade enzimática
URI: http://repositorio.ufrn.br:8080/jspui/handle/123456789/15853
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