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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.11.2022.tde-13042022-135549
Document
Auteur
Nom complet
Carolina Brito Codato Zumpano
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Piracicaba, 2022
Directeur
Jury
Bastos, Reinaldo Gaspar (Président)
Contiero, Jonas
Gabardo, Sabrina
Madaleno, Leonardo Lucas
Titre en portugais
Fermentação etanólica de hidrolisados ácidos e hidrolisados de cultivo em estado sólido a partir de material lignocelulósico
Mots-clés en portugais
Wickerhamomyces anomalus
Bagaço de cana-de-açúcar
Cultivo em estado sólido
Etanol de segunda geração
Pré-tratamento
Resumé en portugais
O Brasil é o maior produtor de etanol do mundo obtido a partir da cana-de açúcar, sendo processadas milhões de toneladas anuais desta matéria-prima. Neste cenário, ainda seria possível incrementar esta produção a partir do chamado “etanol de segunda geração”, obtido a partir da hidrólise e fermentação de material lignocelulósico, como o bagaço de cana-de- açúcar ou resíduos florestais de florestas de eucalipto. Ambos apresentam majoritariamente em sua composição celulose, hemicelulose e lignina. Entretanto, para uma conversão eficiente do material lignocelulósico, métodos de pré-tratamento físico, químico ou biológico são adotados para permitir maior exposição das moléculas de celulose e hemicelulose aos agentes hidrolíticos. Diante disso, o processo conhecido como “cultivo em estado sólido” (CES), foi adotado no estudo para promover a hidrólise do bagaço de cana pré-tratado anteriormente, via crescimento de Aspergillus niger e Trichoderma reesei. Nesse sentido, visando o aproveitamento de pentoses e hexoses oriundas dos processos de hidrólise, foi realizado uma seleção com as leveduras Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis, Candida materiae e Wickerhamomyces anomalus em hidrolisado microbiano, obtido após o CES, e posterior avaliação do perfil de crescimento de W. anomalus em meio de cultura contendo xilose, arabinose, celobiose, ácido acético ou etanol como única fonte de carbono, em diferentes concentrações. Ainda nesse sentido, a levedura W. anomalus apresentou maior velocidade específica de crescimento a partir de hidrolisado microbiano, e foi capaz de crescer na presença de diferentes açúcares liberados durante o CES obtendo-se as velocidades específicas de crescimento máximas em glicose (0,3 h-1), xilose (0,15 h-1), arabinose (0,2 h-1)e celobiose (0,25 h-1), sendo tolerante até 0,12% de ácido acético (0,20 h-1). Após a seleção, avaliou-se a produção de etanol por linhagens de W. anomalus e S. cerevisiae a partir de hidrolisados microbianos, obtidos por CES e hidrolisado ácido, como comparativo. Os resultados demostraram que houve maior liberação de glicose e xilose a partir da hidrólise enzimática com coquetel comercial das partículas de bagaço de cana oriundas do pré- tratamento hidrotérmico, quando comparado com a biomassa florestal de eucalipto. Além disso, a utilização de vinhaça como solução nutriente nos ensaios de CES forneceram melhores resultados para fermentação do hidrolisado microbiano, utilizando S. cerevisiae (rendimento de 0,40 g etanol por g glicose). O perfil de assimilação de carbono e a atividade enzimática dos fungos envolvidos no CES revelou que o tempo de cultivo é fundamental para permitir maiores liberações de ART para o hidrolisado microbiano, visto que o efeito na concentração de açúcares tende a ser inversamente proporcional ao tempo, devido o maior crescimento dos fungos envolvidos na hidrólise sustentado pelos açúcares liberados no cultivo. Além disso, os espectros da transformada de Fourrier (FTIR) demonstraram maiores alterações estruturais nas partículas de bagaço de cana após os pré-tratamentos mais severos (ácido e hidrotérmicos). Entretanto, também foram detectadas alterações nas partículas que passaram pelo CES, principalmente em termos de hemicelulose e lignina. Na fermentação dos hidrolisados microbianos observou-se elevados rendimentos de açúcares (glicose, xilose e arabinose) em etanol principalmente para hidrolisados do bagaço organosolv (0,54 g etanol g açúcares-1) e in natura (0,53 g etanol g açúcares-1).
Titre en anglais
Ethanol fermentation of acid hydrolysates and solid state hydrolysates from lignocellulosic material
Mots-clés en anglais
Wickerhamomyces anomalus
Pretreatment
Second generation ethanol
Solid-state cultivation
Sugarcane bagasse
Resumé en anglais
Brazil is the largest ethanol producer in the world obtained from sugarcane, with hundreds of millions of tons of this raw material being processed at sugarcane plants annually. In this scenario, it would still be possible to increase this production from the so-called second generation ethanol obtained from the hydrolysis and fermentation of lignocellulosic material, such as sugarcane bagasse or forest residues from eucalyptus forests. Both have cellulose, hemicellulose, and lignin in their composition. However, for an efficient conversion of lignocellulosic material, physical, chemical, or biological pre-treatment methods are adopted in process to allow greater exposure of cellulose and hemicellulose molecules to hydrolytic agents. Therefore, the process known as “solid-state cultivation” (SSC) was adopted in the study to promote the hydrolysis of previously pre-treated sugarcane bagasse, via growth from Aspergillus niger and Trichoderma reesei. In this sense, aiming at the use of pentoses and hexoses from hydrolysis processes, a selection was carried out with the yeasts Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipites, Candida materiae, and Wickerhamomyces anomalus in microbial hydrolysate, obtained after SSC, and subsequent growth evaluation profile of W. anomalus in culture medium containing xylose, arabinose, cellobiose, acetic acid, or ethanol as the only carbon source, in different concentrations. Also in this sense, the yeast W. anomalus showed a higher specific growth rate from microbial hydrolysate and was able to grow in the presence of different sugars released during CES, obtaining the maximum specific growth rates in glucose (0.3 h-1), xylose (0.15 h-1), arabinose (0.2 h-1) and cellobiose (0.25 h-1), being tolerant up to 0.12% of acetic acid (0.20 h-1). After selection, the production of ethanol by strains of W. anomalus and S. cerevisiae from microbial hydrolysates, obtained by SSF and acid hydrolysate, was evaluated as a comparison. The results showed that there was a greater release of glucose and xylose from the enzymatic hydrolysis with a commercial cocktail of sugarcane bagasse particles from the hydrothermal pre-treatment when compared to eucalyptus forest biomass. Furthermore, the use of vinasse as a nutrient solution in the SSF assays provided better results for the microbial fermentation hydrolysate, using S. cerevisiae (yield of 0.40 g ethanol per g glucose). The carbon assimilation profile and the enzymatic activity of the fungi involved in SSF revealed that the cultivation time is fundamental to allow greater TRS (total reductor sugar) releases to the microbial hydrolysate, since the effect on sugar concentration tends to be inversely proportional to time, due to the greater growth of the fungi involved in the hydrolysis sustained by the sugars released in the cultivation. Furthermore, Fourrier transform (FTIR) spectra showed greater structural changes in sugarcane bagasse particles after more severe pre-treatments (acid and hydrothermal). However, alterations in sugarcane structure were also detected in the particles that passed through the SSF, in terms of hemicellulose and lignin. In the fermentation of microbial hydrolysates, high yields of sugars (glucose, xylose, and arabinose) in ethanol were observed, for organosolv (0,54 g ethanol g sugars-1) and in nature (0,53 g ethanol g sugars -1).
 
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Date de Publication
2022-04-13
 
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