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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.17.2021.tde-05112021-110552
Document
Auteur
Nom complet
Vanessa Elisa Pinheiro
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Ribeirão Preto, 2021
Directeur
Titre en portugais
Potencial biotecnológico da biomassa - influência do pré-tratamento enzimático para a digestão anaeróbia e fermentação alcoólica
Resumé en portugais
O consumo de energia aumentou à medida que a população mundial cresceu e os países se industrializaram. A energia é vital para praticamente todas as atividades humanas, por exemplo, iluminação, produção alimentícia, aquecimento, cozimento de alimentos, produção industrial e transporte. Atualmente, o bem-estar mundial e a competitividade industrial dependem da sustentabilidade e acessibilidade a energia. Os biocombustíveis são alternativas ecológicas de energia renovável que minimizam a dependência de fontes de energia fóssil. A biomassa pode ser utilizada como substrato para esses combustíveis renováveis, porém o pré-tratamento do substrato é uma etapa útil neste processo, pois facilita e acelera a hidrólise de materiais compostos. O objetivo deste trabalho foi (1) triar, selecionar, estudar e otimizar a formulação de coquetéis enzimáticos para a hidrólise de biomassa, onde as enzimas fornecidas foram tanto de origem comercial (Trichoderma reesei, Novozymes®) quanto de cultivo de micro-organismos (Aspergillus brasiliensis e Aspergillus tamarii Kita); (2) estudar a digestão anaeróbia da biomassa selecionada (i) quando hidrolisada ou não e (ii) em co-digestão com dejeto bovino; e (3) comparar a fermentação alcoólica da biomassa selecionada quando a hidrólise enzimática e fermentação são simultâneas ou separadas. Planejamentos experimentais de mistura foram realizados para otimizar a conversão de substratos enzimáticos em açúcares simples. O extrato bruto rico em amilase (AMI) teve uma influência positiva significativa na hidrólise do farelo de milho (Zea mays), maximizando a liberação de Açúcar Redutor (AR) (173 µmol/mL). CelluclastTM, rico em celulase, teve um efeito significativo na hidrólise da casca de banana (Musa ssp.), maximizando a produção de AR (175 µmol/mL). Estudos posteriores mostraram que o pré-tratamento enzimático de farelo de milho por AMI, contendo principalmente enzimas degradantes de amido, quando numa carga enzimática de 1:10 m/v (g de massa seca do substrato/ mL de extrato enzimático adicionado) a 45 °C por 48 h, resultou na hidrólise de 79 ± 5% dos carboidratos do substrato. Além disso, os testes de produção de metano mostraram que houve um aumento significativo na produção específica desse gás durante os ensaios em batelada quando as enzimas foram adicionadas diretamente ao digestor ou quando o hidrolisado de farelo de milho foi digerido. Além disso, foram encontrados efeitos sinérgicos ao co-digerir farelo de milho e dejeto bovino, levando a uma maior produção de metano (280 NmL / g SV) do que (200 NmL / g SV) a calculada com base no potencial de CH4 dos substratos individuais. Com relação aos efeitos a longo prazo, os experimentos semi-contínuos em escala laboratorial também demonstraram que a co-digestão de farelo de milho e dejeto bovino (1:1 na base de SV) levou a um processo estável ao longo do período de tempo estudado de 140 dias, atingindo uma taxa de carga orgânica de 3 g SV/L/dia e atingindo uma produção diária de metano de 1280,12 ± 99,4 NmL CH4/dia. No entanto, quando o farelo de milho foi investigado em mono-digestão, ou quando AMI foi adicionado diretamente durante a digestão semi-contínua do farelo, o acúmulo de ácidos graxos voláteis foi observado, o que levou a uma redução no pH. Por fim, a fermentação alcoólica a partir do farelo de milho pré-sacarificado com extrato enzimático bruto produzido por fungo filamentoso selvagem apresentou 100% de potencial etanólico com relação ao potencial teórico, o que mostra a promissora aplicação das enzimas brutas em processos industriais bioenergéticos.
Titre en anglais
Potencial biotecnológico da biomassa influência do pré-tratamento enzimático para a digestão anaeróbia e fermentação alcoólica
Resumé en anglais
Energy consumption has enhanced as the world population has grown and countries became industrialized. Energy provides vital power for practically all human activities, e.g., lighting, food production, heating, cooking, industrial production, and transportation. Currently, the overall world well-being and industrial competitiveness are dependent on the sustainability and affordability of energy. Biofuels are environmental-friendly renewable energy alternatives which minimize the dependence on fossil energy sources. Biomass can be used as substrates for renewable fuels, nevertheless the substrate pretreatment is a step useful to this process, since it facilitates and accelerates the hydrolysis of compounded materials. The aim of this work was (1) to screen, select, study and optimize a cocktail formulation for biomass hydrolysis, where the enzymes were provided from both commercial source (Trichoderma reesei, Novozymes®) and microorganism cultivation (Aspergillus brasiliensis and Aspergillus tamarii Kita); (2) to study the anaerobic digestion of the selected biomass (i) when hydrolyzed or not and (ii) in co-digestion with cow manure; and (3) to compare the alcoholic fermentation of the selected biomass when enzymatic hydrolysis and fermentation are simultaneous or separated. Mixture experimental designs were performed to optimize the enzymatic substrates conversion into simple sugars. Crude extract rich in amylase (AMI) had a significant positive influence on cornmeal (Zea mays) hydrolysis by maximizing the Reducing Sugar (RS) yield (173 µmol/mL) and CelluclastTM, rich in cellulase had a significant effect on banana (Musa spp) peel hydrolysis by maximizing the RS yield (175 µmol/mL). Further studies, showed that the enzymatic pretreatment of cornmeal by AMI, containing mainly starch-degrading enzymes, with an enzyme load of 1:10 w/v (g of dry weight of substrate/ mL of enzyme extract added) at 45 °C for 48 h resulted in the hydrolysis of 79 ± 5% of substrate carbohydrates. Furthermore, the methane production tests showed that there was a significant enhancement in the specific gas production observed during the batch assays, both when enzymes were directly added to the digester or when cornmeal hydrolysate was digested. Additionally, synergetic effects were found when co-digesting cornmeal and cow manure, leading to higher methane yield (280 NmL/g VS) than that (200 NmL/g VS) calculated on the basis of CH4 potential of the individual substrates. Concerning long term effects, the laboratory-scale semi-continuous experiments similarly demonstrated that the co-digestion of cornmeal and cow manure (1:1 volatile solid (VS) basis) led to a stable process over the studied time period of 140 days reaching an organic loading rate of 3 g VS/L/day and reaching a daily methane production of 1280.12 ± 99.4 NmL CH4/day. Nevertheless, when cornmeal was investigated in mono-digestion, along with when the enzyme extract was directly added during semi-continuous digestion of cornmeal, volatile fatty acids accumulation was observed leading to a reduction in pH. Finally, the alcoholic fermentation from pre-saccharified cornmeal with crude enzymatic extract produced by wild filamentous fungus showed a 100% ethanolic potential in relation to the theoretical potential, which shows the promising application of crude enzymes in bioenergetic industrial processes.
 
Date de Publication
2021-11-23
 
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