Orientadores: Aline Carvalho da Costa, José Geraldo da Cruz Pradella

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos compreende uma etapa de adsorção das enzimas celulases a esse material, e as chamadas isotermas de adsorção são curvas extremamente úteis nesse estudo, pois indicam a forma como o soluto (adsorbato) adsorverá no adsorvente; dão uma...

Resumo: A hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos compreende uma etapa de adsorção das enzimas celulases a esse material, e as chamadas isotermas de adsorção são curvas extremamente úteis nesse estudo, pois indicam a forma como o soluto (adsorbato) adsorverá no adsorvente; dão uma estimativa da quantidade máxima de soluto que o adsorvente adsorverá, entre outras características importantes. São empregadas também para a obtenção de condições mais favoráveis e eficientes na conversão da biomassa a açúcares fermentescíveis. Assim, para melhor entendimento de como o processo da adsorção enzimática interfere nos rendimentos da hidrólise enzimática da celulose, este trabalho abordou estudos específicos, tais como, a determinação da cinética e dos parâmetros das isotermas de adsorção das enzimas do complexo celulolítico sobre diferentes biomassas. Trabalhou-se com o bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado hidrotérmico (BH) que apresentou 31,97% de lignina em sua composição e organossolve (BO), com 4,42% de lignina, e também com Avicel e com um isolado de lignina (IL). Os experimentos de cinética e isoterma de adsorção foram realizados em duplicata com volume reacional de 15 mL contendo tãmpão citrato de sódio 50 mM pH 4.8 complementado com with 0.02% de azida sódica por grrama de substrato onde a biomassa foi adicionada. Nos ensaios de cinética, os fracos foram incubados em um shaker (Marconi AM-832) a 50ºC e 4ºC, onde a agitação variou de 40 a 250 rpm. Foram recolhidas amostras dos frascos em tempos pré-determinados e centrifugadas por 15 min a 4,000 rpm para remoção dos materiais insolúveis. O teor de proteína do sobrenadante foi determinado usando o método de Bradford. As isotermas de adsorção da celulase para as biomassas foram conduzidas pela variação da quantidade proteica da enzima celulase (0,1 ¿ 4,5 mg/mL). Os dados experimentais foram estimados pela isoterma de adsorção de Langmuir usando o software OriginPro8.0. Os parâmetros Emax e Kp obtidos pelo ajuste dos dados experimentais mostraram-se diferentes para os diferentes materiais. Uma maior capacidade de adsorção (36,93 mg celulase/g de substrato) e, consequentemente, uma afinidade maior da enzima celulase pelo bagaço pré-tratado foi observada para o pré-tratamento hidrotérmico, pois a celulase, além de adsorver na celulose, também adsorve na lignina, em menor extensão. Os dados obtidos da isoterma de adsorção da celulase sobre o IL confirmam a adsorção improdutiva da enzima na lignina (Emax= 11,92 mg/g) e mostram como esses estudos da adsorção das enzimas em IL são importantes, porque se torna possível distinguir a adsorção a porções da celulose e frações da lignina. A agitação exerceu influência significativa no fenômeno de adsorção, onde o aumento da agitação até 150 rpm melhorou a mistura entre as enzimas e o substratos, porém, a partir de 200 rpm não foram observadas mudanças significativas nos perfis de enzima adsorvida. Palavras-chaves: Lignocelulose, cinética de adsorção, isoterma de Langmuir, hidrólise enzimática

Abstract: The enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass involves one step of adsorption of cellulase enzymes on this material, and the adsorption isotherms are curves extremely useful for this research, because they show how the solute (adsorbate) will adsorb on the adsorbent; give an estimate...

Abstract: The enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass involves one step of adsorption of cellulase enzymes on this material, and the adsorption isotherms are curves extremely useful for this research, because they show how the solute (adsorbate) will adsorb on the adsorbent; give an estimate of what is highest quantity of solute adsorbed by the adsorbent, among other information. They are also used to attain more favorable and efficient conditions in the conversion of biomass into fermentable sugars. Therefore, for a better understanding of how the enzymatic adsorption process interferes in the enzymatic hydrolysis of cellulose yields, this study has proposed specific studies, such as the determination of the kinetics and parameters of adsorption isotherms of enzymes from cellulolityc complex on different biomasses. Sugarcane bagasse hydrothermal pretreated (BH), which presented 31.97% (w/w) of lignin in its composition, and the organosolv (BO), with 4.42% (w/w) of lignin, were evaluated, as well as Avicel and an isolated lignin (IL). The adsorption kinetics and isotherm experiments assays were performed in duplicate with reaction volume of 15 mL of sodium citrate buffer 50 mM pH 4.8 supplemented with 0.02% sodium azide per gram of substrate to which biomass was added. The adsorption kinetics assays the flasks were incubated in shaker (Marconi AM-832) at 50ºC and 4ºC where the stirring ranged from 40 to 250 rpm. Flasks were withdrawn at different time intervals and centrifuged repeatedly for 15 min in a centrifuge at 4,000 rpm to remove insoluble materials. The protein content of the supernatant was determined using Bradford method (Bradford, 1976). Cellulase adsorption isotherm on biomasses was conducted by varying the amount of cellulase protein (0.1¿4.5 mg/mL). The experimental data were fit to the Langmuir adsorption isotherm using the software OriginPro 8.0. The parameters Emax and Kp estimated by experimental data adjustment showed different values to the different materials. The highest adsorption capacity (36.93 mg of cellulase/ g of substrate) and, consequently, the highest affinity of the cellulase enzyme for the pretreated bagasse was found for the hydrothermal pretreated bagasse, as cellulase, besides adsorbing on cellulose, also adsorbs on lignin to a lesser extent. The cellulase adsorption on IL data confirms the unproductive adsorption of the enzyme on lignin (Emax = 11.92 mg/g) and shows how these adsorption studies of enzymes in IL are relevant, because it becomes feasible to distinguish the adsorption on portions of cellulose and on lignin fractions. Stirring had significant influence on the adsorption phenomenon, with the increase in stirring up to 150 rpm improving the mixture of enzymes and substrate; however, over 200 rpm stirring influence was not significant. Key-words: Lignocellulose, adsorption kinetics, Langmuir isotherm, enzymatic hydrolysis