Seminário

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS – EQA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS

Santiago Cadena Carrera

Disciplina: Engenharia de Bio-processosProf. Jorge L. Ninow

Florianópolis 2015

Estudo da hidrólise enzimática da celulose para a produção de etanol: processo de sacarificação e

fermentação simultânea SSF

APRESENTAÇÃO:

• Introdução

• Descrição do problema

• Revisão bibliográfica

• Objetivo geral do estudo

• Material e métodos

• Resultados e Discussão

• Conclusões

• Bibliografia

INTRODUÇÃO:

Crise energética1970

à procura de fontes alternativas de energia

Brasil: 50% importações → derivados!

↓ dependência ao petróleo (NR) Δ→ RENOV.

HidráulicaSolarGeotérmicaEólicaOutras (biodiesel, etanol, lenha e carvão vegetal, etc.

Brasil Produção de álcool: PROÁLCOOL (1975)1975: 700 mil m31979: 2,85 milhões m32002: 12,6 milhões m3 2013: 26,6 milhões m3

Brasil: Oferta Interna de Energia no 2013

INTRODUÇÃO:

Uso de etanol

Jun/2014 114.92 USD/barrilJan/2015 46.59 USD/barril

Perdas 60%

DESCRIÇÃO DO PROBLEMA

ETANOL

Cana de açúcar

Milho

Batata

Fonte de açúcares (alimentos)

AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS

!!! ENGENHARIA DE ALIMENTOS!!!

SEGURANÇA ALIMENTAR

+ terra destinada ao monocultivo(não alimentos)

Maior Demanda

a)

b)

DESCRIÇÃO DO PROBLEMA

Resíduos ligno - celulósicos AÇÚCARES FERMENTESCÍVEIS

MadeiraBagaço Capim .... ENZIMAS

Produção de bagaço seco anual: 64 milhões toneladas

Precisa-se uma FONTE ALTERNATIVA de açúcares

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:

Produção de etanol a partir de material ligno-celulose

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:

Material ligno - celulósico

Pré-tratamentoDesorganizar a estrutura cristalina das macro e micro fibras

Liberar cadeias poliméricas de celulose hemicelulose

Físicos: vapor, moagem, pirólise, expansão

Químicos: ácidos, álcalis, agentes oxidantes

Biológicos: Actinomycetes, fungos

Variável de comparação Ácido-diluído

Enzimática

Condições de hidrólise mais amenas Não Sim

Alto rendimento da hidrólise Não Sim

Inibição por produto durante a hidrólise Não Sim

Formação de subprodutos inibidores Sim Não

Baixo custo da catálise Sim Não

Curtos tempos de hidrólise Sim Não

a) Quimicamente

b) Enzimas

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:

Hidrólise da celulose e hemicelulose

Ácido :↓pH, ↑T: corr

≈ 100%

Açúcares inib.

Enz. dias

SSF: SACARIFICAÇÃO FERMENTAÇÃO SIMULTANEA

Ácido forma inibidores

Comparação entre hidrólise ácido-diluído e enzimática

Ácido sulfúrico diluído

→ SSF

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA:

SSF: SACARIFICAÇÃO FERMENTAÇÃO SIMULTANEA

Os açúcares produzidos são metabolizados pelos microrganismos (reduz efeito inibidor)Menor custo (não requer biorreator para hidrólise ou fermentação)Reduz perigo de contaminação cruzada

Existe efeito inibidor do etanolParâmetros ótimo de hidrólise ≠ fermentação

O ESTUDO:

ObjetivoAvaliar a cinética da hidrólise da celulose em um processo SSF usando modelos matemático s (já obtido).

Materiais: celulose (α-celulose), celobiose e δ-glucanolactone para os ensaios de celulase e β-glucosidase.Todos os ensaios foram feito em meio YP (extrato de levedura + pentona), pH 5, T 38 ◦C (condic. SSF) Enzima Celulase Laminex (GENENCOR ®)

Materiais

celobiosecelulose

Endo glucanasesExo glucanases

celulase β-glucosidase

glicose etanol

RESULTADOS E DISCUSÃO:

Isolamento β-glucosidase - celulase δ-gluconolactone (análoga à celobiose) seletivamente inibe a atividade da β-glucosidase enquanto tem pouco efeito na celulase

δ-gluconolactone praticamente não tem efeito na atividade da celulase, mesmo que pouca ação além de 3 g/l (redondo)

para o caso da β-glucosidase tem um impacto grande e em concentrações acima de 3 g/l a enzima perde aproximadamente 70% da sua atividade.

βG-ase

C-ase

3 g/L →↓ 70%

RESULTADOS E DISCUSÃO:

Cinética celobiose - celulaseO efeito da celobiose na atividade da celulase foi avaliado

Celobiose é o produto da ação da celulase, e ele é um inibidor forte na atividade da enzima.

Em concentrações de celobiose tão baixas quanto 6 g/l a atividade da celulase foi reduzida num 60%

K1B=5.85 g/l

C-ose INIB C-ase

6 g/L →↓60%

RESULTADOS E DISCUSÃO:

Cinética celobiose - β-glucosidaseA cinética da hidrólise da celobiose em diferentes concentrações

Não de inibição pelo substrato na atividade da β-glucosidase, até os valores existentes no SSF de celobiose

Km = 10.56 g/l

Michaelis-Menten

Cinética glicose – enzima (celulase – β-glucosidase)

RESULTADOS E DISCUSÃO:

Linearização inibição da celulase pela glicose foi menos do 20% abaixo de 20 g/l

um efeito forte inibitório da glicose na atividade da β-glucosidase

Apenas 3 g/l, 75% da atividade enzimática foi perdida.

Em 20 g/L de glicose, a enzima foi praticamente inativa.

K1G = 53.16 g/lK2G = 0,62g/l

βG-ase

C-ase inib. < 20%

3 g/L →↓75%

≈ inativa

Muita sensitividade da β-glucosidase para com a glicose, →↓K2G

RESULTADOS E DISCUSÃO:

Efeito do produto (etanol) na enzima (celulase – β-glucosidase)

K1E = 50.35 g/l

βG-ase Não inib. etanol

C-ase inib. mod. 30 g/L →↓25%

70 g/L →↓50%

mmm

RESULTADOS E DISCUSÃO:

Cinética da hidrólise da celulose

Sem álcoolNão existiu inibição do substrato para β-glucosidase

k1’ =0.025 h-1k2’= 14.22 gl-1h-1g/l

Glicose

Celobiose

Celulose

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A celulase e β-glucosidase exibem diferentes comportamentos cinemáticos e são afetadas em diferentes proporções pela presença de celobiose, glicose e etanol.

O modelo conseguiu descrever as cinéticas da hidrolise da celulose a glicose

A capacidade para predizer deve estar baseada num melhor entendimento do rol que têm as propriedades do substrato celulósico durante a hidrolise e a interação enzima-substrato.

Continuar afinamento do modelo para que seja uma ferramenta para desenho, otimização e extrapolação do processo SSF.

Realizar experimentações com substrato real (ex. bagaço de cana), e produzindo etanol.

BIBLIOGRAFIA

MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA DO BRASIL, Resenha energética Brasileira – exercício de 2013, Núcleo de estudos estratégicos de energia, 2014.

PHILIPPIDIS, G.; SMITH, T.; WYMAN, C. Study of the enzymatic hydrolysis of Cellulose for production of fuel ethanol by simultaneous saccharification and fermentation process, Biotechnology and Bioengineering, v. 41, p. 846-853, 1993.

TAHERZADEH, M.; KARIMI, K. Enzyme-based hydrolysis processes for ethanol from lignocellulosic materials: a review. Bioresources, v. 2, p. 707-738, 2007.

Análise Energética Brasileira - período 1970 a 2002. Disponível em: http://ecen.com/eee40/analise_energetica_brasileira.htm

Arranjo Produtivo Local do Álcool. Disponível em:http://www.apla.org.br/producao-de-etanol-no-brasil-crescera-137-preve-oia

Obrigado!!