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Title in Portuguese: Estudo comparativo da produção de etanol por processos de SHF (Fermentação e Hidrólise Separadas) e SSF (Fermentação e Hidrólise Simultâneas) de bagaço de caju (Anacardium accidentale L.)
Title: The bioconversion of pretreated cashew apple bagasse into ethanol by SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation) and SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation) processes
Author: Rodrigues, Tigressa Helena Soares
Advisor(s): Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Co-advisor(s): Rocha, Maria Valderez Ponte
Keywords: Engenharia química
Fermantação alcoólica
Bagaço de caju
Issue Date: 14-Mar-2014
Citation: RODRIGUES, T. H. S. Estudo comparativo da produção de etanol por processos de SHF (Fermentação e Hidrólise Separadas) e SSF (Fermentação e Hidrólise Simultâneas) de bagaço de caju (Anacardium accidentale L.). 2014. 93 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
Abstract in Portuguese: Nesse trabalho, estudou-se a produção de etanol de bagaço de caju após pré-tratamento ácido seguido de álcali (CAB-OH) através dos processos de Fermentação e Hidrólise Separadas (SHF) e Fermentação e Hidrólise Simultâneas (SSF). No processo SHF, o hidrolisado obtido da hidrólise enzimática de CAB-OH foi submetido à etapa de fermentação com diferentes linhagens de Saccharomyces (S. cerevisiae CCA008, Saccharomyces sp. 1238, S. cerevisiae 01, S. cerevisiae 02), Kluyveromyces (K. marxianus CCA510, CE025 e ATCC36907) e Hanseniaspora sp. GPBio03. A fermentação do hidrolisado foi conduzida a 30 °C com concentração inicial de glicose de 50 g.L-1. Após o screening de leveduras, a linhagem de K. marxianus ATCC36907 destacou-se com maior concentração de etanol de 20 g.L-1 com consumo de toda glicose no hidrolisado. Resultados similares foram obtidos com Saccharomyces sp. 1238 e com a levedura isolada do caju (Hanseniaspora sp. GPBio03) com maiores concentrações de etanol de 22,41 g.L-1 e 24,54 g.L-1, respectivamente. Com o propósito de estudos posteriores de SSF, avaliou-se a influência da temperatura da levedura termotolerante K. marxianus ATCC36907 em glicose PA e hidrolisado enzimático de CAB-OH. Os resultados mostraram que para a glicose PA, a variação da temperatura (30, 35, 40, 45 e 50 °C) não influenciou nos valores de conversão de glicose em etanol (YE/G) obtendo-se valores na faixa de 0,45-0,46 getanol/gglicose. Por outro lado, os resultados de YE/G em hidrolisado enzimático foram ligeiramente influenciados pela temperatura, obtendo-se 0,39 getanol/gglicose a 30°C e 0,43 getanol/gglicose a 40 °C. Em seguida, realizou-se a SSF de CAB-OH com K. marxianus ATCC36907 a 40 °C e celulases de Celluclast 1.5L a 15 FPU/gcelulose. A maior concentração de etanol (24,90 ± 0,89 g.L-1) foi obtida em 76h de fermentação com produtividade de 0,33 g.L-1.h-1, conversão de glicose em etanol (YʹE/G) de 0,34 e eficiência de produção de etanol de 66,3%. Contudo, visando aumentar a produção de etanol em estudos posteriores de SSF, realizou-se o estudo de hidrólise enzimática com outros complexos de celulases (NS 22074) e celobiases (NS 50010). Os resultados de hidrólise enzimática mostraram que a atividade de celulases NS 22074 a 30 FPU/gcelulose sem suplementação de celobiase resultou no rendimento de glicose de 93,77 ± 2,72% sendo resultado promissor para estudos de SSF com esse complexo enzimático. Nos ensaios de SSF com celulases do complexo NS 22074, inicialmente realizou-se o estudo da temperatura (40, 42, 45 e 50 °C) com K. marxianus ATCC36907 utilizando celulose microcristalina; e, em contrapartida com os resultados SHF, na temperatura de 40 °C foi obtida a maior concentração de etanol de 19,86 ± 0,32 g.L-1, em 72h de fermentação. Diante desses resultados, realizou-se o processo de SSF de CAB-OH nas seguintes condições: 40 °C de temperatura e 30 FPU/gcelulose do complexo de celulases NS 22074. A maior concentração de etanol (37,35 ± 0,64 g.L-1) foi obtida em 80h de fermentação, com produtividade de 0,46 g.L-1.h-1. Diante desses resultados, observa-se que a mudança do complexo enzimático de Celluclast 1.5L para NS 22074 proporcionou o aumento no valor de YʹE/G de 0,34 getanol/gglicose para 0,49 getanol/gglicose e no rendimento de etanol de 66,3% para 95,59%, o que torna o bagaço de caju pré-tratado promissor como matéria-prima para produção de etanol de segunda geração por processo SSF utilizando a levedura K. marxianus ATCC36907.
Abstract: In this work, the ethanol production from cashew bagasse was studied after acid followed by alkali pretreatment (CAB-OH) using the Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF) and Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) processes. In SHF process, the hydrolysate obtained from enzymatic hydrolysis of CAB-OH was used as carbon source for fermentation with different strains of Saccharomyces (S. cerevisiae CCA008, S. cerevisiae 01, S. cerevisiae 02 and Saccharomyces sp. 1238), Kluyveromyces (K. marxianus CCA510, CE025 and ATCC36907) and Hanseniaspora sp. GPBio03. The bioprocess was conducted at 30 °C and 50 g.L-1 initial glucose concentration. The K. marxianus ATCC36907 achieved ethanol concentration of 20 g.L-1 with consumption of all glucose in the hydrolysate. Similar results were obtained with Saccharomyces strains and higher ethanol concentration (23.43 g.L-1) was obtained by Saccharomyces sp. 1238. The maximum ethanol concentration of 24.54 g.L-1 was achieved by Hanseniaspora sp. GPBio03. Focused on further studies using SSF process, it was evaluated the temperature influence of thermotolerant yeast K. marxianus ATCC36907 in glucose and enzymatic hydrolysate from CAB-OH. The results showed that the temperature (30, 35, 40, 45 and 50 °C) did not affect the values of YE/G (0.45 to 0.46 gethanol/gglucose) using glucose as substrate. Moreover, the ethanol yields obtained with enzymatic hydrolysate were slightly influenced by temperature, 0.39 and 0.43 gethanol/gglucose were obtained at 30 and 40 °C, respectively. Based on this, the SSF of CAB-OH and K. marxianus ATCC36907 was conducted at 40 °C with cellulases from Celluclast 1.5L at 15 FPU/gcellulose. The highest ethanol concentration (24.90 ± 0.89 g.L-1) was obtained with 76h of fermentation with 0.33 g.L-1.h-1, 0.34 gethanol/gglucose and 66.3% of productivity, YʹE/G and of ethanol efficiency, respectively. In enzymatic hydrolysis studies, the cellulase NS 22074 at 30 FPU/gcellulose without cellobiases supplementation resulted in glucose yield of 93.77 ± 2.72% which is promising for studies of SSF with this enzyme complex. The temperature (40, 42 , 45 and 50 °C) influence in SSF process using microcrystalline cellulose, in contrast with SHF results, higher ethanol concentration, 19.86 ± 0.32 g.L-1, was obtained at 40 °C. The SSF using CAB-OH, 30 FPU/gcellulose cellulases NS 22074 at 40 °C showed higher ethanol concentration of 37.35 ± 0.64 g.L-1 at 80h, with productivity of 0.46 g.L-1.h-1. In this condition, there was an increase of YʹE/G from 0.34 to 0.49 gethanol/gglucose and the ethanol efficiency from 66.3% to 95.59% when compared to results obtained with SSF using Celluclast 1.5L. Based on the results of efficiency and ethanol yield (YʹE/G), the cashew apple bagasse showed as lignocelulose feedstock promising material for second generation ethanol production by SSF process using the yeast K. marxianus ATCC36907 and NS 22074 cellulases complex.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/10913
metadata.dc.type: Tese
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