Clonagem molecular, expressão, purificação e caracterização estrutural da endoglucanase de Trichoderma harzianum visando o desenvolvimento de coquetéis enzimáticos para a produção de etanol lignocelulósico

O aumento na demanda mundial por energia, a perspectiva de encolhimento dos recursos energéticos e a preocupação global com a questão ambiental, despertaram o interesse por fontes alternativas de energia. A biomassa lignocelulósica é abundante e de baixo custo, com potencial para complementar a produção em larga escala de combustíveis. A degradação das moléculas constituintes da parede celular à açúcares fermentescíveis e então à etanol, ocorre através da hidrólise enzimática da biomassa. Contudo, a utilização de enzimas para esse fim encontra-se em estágio exploratório e representa um gargalo na implementação de tecnologias de etanol 2G em escala industrial, desencadeando a busca de celulases bioquimicamente mais ativas, estáveis e economicamente viáveis. O presente trabalho visou a caracterização da endoglucanase I do fungo Trichoderma harzianum, e para isso foi realizada expressão, ensaios bioquímicos e biofísicos do domínio catalítico (ThCel7B-CCD) e da proteína inteira (ThCel7B-full). A enzima exibiu um perfil acidofílico, com atividade ótima em pH 3,0 a 55°C. A proteína também se mostrou capaz de hidrolisar uma variedade de substratos, sendo a maior atividade hidrolítica em β-glucano (75 U mg-1). Ao analisar a estabilidade térmica medida a 55°C em pH 5, a atividade residual manteve-se intacta por mais de 2 meses. Outra característica relevante foi o elevado grau de sinergismo entre ThCel7B e ThCel7A. Análises de microscopia eletrônica de flocos de aveia submetidas à hidrólise com ThCel7B evidenciaram os efeitos de degradação do substrato em relação às amostras controle. O conjunto desses resultados, além de importante para a compreensão do mecanismo molecular de ThCel7B e de outras endoglucanases da família GH7, também revelou uma enzima de interesse biotecnológicos uma vez que o comportamento ácido e sua estabilidade térmica são características relevantes para aplicações industriais sob condições extremamente ácidas.

Avaliação do desempenho ambiental de alternativas de reaproveitamento de vinhaça decorrente da produção de etanol.

A obtenção de etanol a partir de rotas alcoolquímicas consagradas gera resíduos com potencial de aproveitamento, tanto em outros setores produtivos como no ciclo produtivo do próprio combustível. Este é o caso de torta de filtro e vinhaça. A vinhaça em particular costuma ser devolvida ao campo com o intuito de ajustar teores nutricionais do solo no cultivo da cana. No entanto, estudos ambientais destacam que esta alternativa traz efeitos negativos sobre os meios receptores (água e solo), condição que abre a perspectiva para exploração de usos alternativos dessas substâncias. Este estudo se propôs a contribuir para o tema ao avaliar de forma sistêmica o desempenho ambiental de duas alternativas de reaproveitamento de vinhaça: (i) reuso no campo em processos de fertirrigação, alternativa consolidada no Brasil, e (ii) reuso da fração líquida da vinhaça em etapas diversas do processo industrial de obtenção de etanol. Em qualquer das situações fez-se uso da técnica de Avaliação de Ciclo de Vida - ACV para proceder tal verificação. A análise ambiental da prática de reuso de vinhaça e torta para fertirrigação foi conduzida a partir da comparação de cenários que consideraram a forma de suprimento de nutrientes para a cana e o método de colheita. A avaliação de impactos ocorreu em dois níveis: quanto ao consumo de recursos, a partir de Primary Energy Demand (PED); e em termos de emissões para o ambiente por meio da elaboração do Perfil Ambiental. Uma Análise de Sensibilidade foi também realizada para verificar o efeito de oscilações dos teores de Nitrogênio (N), Fósforo (P) e Potássio (K) na composição da vinhaça sobre os resultados obtidos, caso da primeira alternativa. Concluiu-se para esse caso que a substituição parcial de fertilizantes químicos por vinhaça traz aumento da Demanda de Energia Primária global para ambos os métodos de colheita. Em termos de Perfil Ambiental, a comparação entre cenários das mesmas práticas de manejo mostrou que a troca de adubos por vinhaça e torta é positiva para o desempenho ambiental do etanol por reduzir impactos quanto a Mudanças Climáticas (CC), Acidificação Terrestre (TA) e Toxicidade Humana (HT). Por outro lado, o tratamento de vinhaça para reposição de água na etapa industrial resultou em aumento global das contribuições para as categorias acima mencionadas além de incrementos para Eutrofização de água doce (FEut) e Ecotoxicidade de água doce (FEC), a despeito de ser constatada a redução de 45% quanto a Depleção de água (WD). Os aumentos no impacto se deveram principalmente aos efeitos negativos causados durante a produção do CaO usado no processo de tratamento da vinhaça. No entanto, a substituição deste insumo por NaOH só representou melhora em termos de CC. Pode-se concluir que a reutilização de vinhaça e de torta de filtro como complemento nutricional para o cultivo de cana-de-açúcar resultou em uma alternativa mais adequada de reaproveitamento do que o se este fluído fosse reutilizado para suprir parte da demanda hídrica de processo, mesmo quando o consumo de água na etapa industrial tenha inexoravelmente se reduzido a partir da implantação dessa medida.

Avaliação do potencial da fibra e casca de coco maduro, casca de coco verde e cacto pré-tratados visando à produção de etanol

The present work investigated the potential of different residual lignocellulosic materials generated in rural and urban areas (coconut fibre mature, green coconut shell and mature coconut shell), and vegetable cultivated in inhospitable environments (cactus) aimed at the production of ethanol, being all materials abundant in the Northeast region of Brazil. These materials were submitted to pretreatments with alkaline hydrogen peroxide followed by sodium hydroxide (AHP-SHP), autohydrolysis (AP), hydrothermal catalyzed with sodium hydroxide (HCSHP) and alkali ethanol organosolv (AEOP). These materials pretreated were submitted to enzymatic hydrolysis and strategies of simultaneous saccharification and fermentation (SSF) and saccharification and fermentation semi-simultaneous (SSSF) by Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis and Pichia stipitis. It was also evaluated the presence of inhibitory compounds (hydroxymethylfurfural, furfural, acetic acid, formic acid and levulinic acid) and seawater during the fermentative process. Materials pretreated with AHP-SHP have resulted in delignification of the materials in a range between 54 and 71%, containing between 51.80 and 54.91% of cellulose, between 17.65 and 28.36% of hemicellulose, between 7.99 and 10.12% of lignin. Enzymatic hydrolysis resulted in the conversions in glucose between 68 and 76%. Conversion yields in ethanol using SSF and SSSF for coconut fibre mature pretreated ranged from 0.40 and 0.43 g/g, 0.43 and 0.45 g/g, respectively. Materials pretreated by AP showed yields of solids between 42.92 and 92.74%, containing between 30.65 and 51.61% of cellulose, 21.34 and 41.28% of lignin. Enzymatic hydrolysis resulted in glucose conversions between 84.10 and 92.52%. Proceeds from conversion into ethanol using green coconut shell pretreated, in strategy SSF and SSSF, were between 0.43 and 0.45 g/g. Coconut fibre mature pretreated by HCSHP presented solids yields between 21.64 and 60.52%, with increased in cellulose between 28.40 and 131.20%, reduction of hemicellulose between 43.22 and 69.04% and reduction in lignin between 8.27 and 89.13%. Enzymatic hydrolysis resulted in the conversion in glucose of 90.72%. Ethanol yields using the SSF and SSSF were 0.43 and 0.46 g/g, respectively. Materials pretreated by AEOP showed solid reductions between 10.75 and 43.18%, cellulose increase up to 121.67%, hemicellulose reduction up to 77.09% and lignin reduced up to 78.22%. Enzymatic hydrolysis resulted in the conversion of glucose between 77.54 and 84.27%. Yields conversion into ethanol using the SSF and SSSF with cactus pretreated ranged from 0.41 and 0.44 g/g, 0.43 and 0.46 g/g, respectively. Fermentations carried out in bioreactors resulted in yields and ethanol production form 0.42 and 0.46 g/g and 7.62 and 12.42 g/L, respectively. The inhibitory compounds showed negative synergistic effects in fermentations performed by P. stipitis, Z. mobilis and S. cerevisiae. Formic acid and acetic acid showed most significant effects among the inhibitory compounds, followed by hydroxymethylfurfural, furfural and levulinic acid. Fermentations carried out in culture medium diluted with seawater showed promising results, especially for S. cerevisiae (0.50 g/g) and Z. mobilis (0.49 g/g). The different results obtained in this study indicate that lignocellulosic materials, pretreatments, fermentative processes strategies and the microorganisms studied deserve attention because they are promising and capable of being used in the context of biorefinery, aiming the ethanol production.

Estudo experimental e modelagem do processo de sacarificação e fermentação simultânea utilizando bagaço de cana-de-açúcar para produção de etanol

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq

Atributos de qualidade de híbridos de milho produzidos em safrinha relacionados à produção de etanol.

2016

Catalisadores à base de platina frente a correntes de H2 contendo acetaldeído geradas via reforma do etanol

Devido ao efeito estufa, a produção de hidrogênio a partir da reação de reforma do bioetanol tem se tornado um assunto de grande interesse em catálise heterogênea. Os catalisadores à base de Pt são empregados nos processos de purificação de H2 e também em eletrocatalisadores das células a combustível do tipo membrana polimérica (PEMFC). O hidrogênio obtido a partir da reforma do etanol contém como contaminante o acetaldeído e pequenas quantidades de CO. Assim, pode-se prever que muitas reações podem ocorrer na presença de catalisadores de Pt durante o processo de purificação do H2 e mesmo no próprio eletrocatalisador. Desta forma, este trabalho tem como objetivo descrever o comportamento do acetaldeído na presença de catalisadores de Pt. Para tanto foram preparados dois catalisadores, Pt/SiO2 e Pt/USY, contendo 1,5% de metal em ambos. Também foi estudado um eletrocatalisador (comercial) de Pt suportado em carvão (Pt/C). Os catalisadores foram caracterizados através das técnicas de análise textural, difração de raios X (DRX), quimissorção de H2, reação de desidrogenação do ciclohexano, espectroscopia no infravermelho de piridina adsorvida, dessorção a temperatura programada de n-butilamina (TPD de n-butilamina), dessorção a temperatura programada de CO2 (TPD-CO2), análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de dispersão de energia (EDS). Os testes catalíticos foram realizados entre as temperaturas de 50 e 350 C em corrente contendo acetaldeído, H2 e N2. Foi observado que as propriedades ácido-básicas dos suportes promovem as reações de condensação com formação de éter etílico e acetato de etila. O acetaldeído em catalisadores de Pt sofre quebra das ligações C-C e C=O. A primeira ocorre em uma ampla faixa de temperaturas, enquanto a segunda apenas em temperaturas abaixo de 200 C. A quebra da ligação C-C produz metano e CO. Já a quebra da ligação C=O gera carbono residual nos catalisadores, assim como espécies oxigênio, que por sua vez são capazes de eliminar o CO da superfície dos catalisadores. Nota-se que o tipo de suporte utilizado influencia na distribuição de produtos, principalmente a baixas temperaturas. Além disso, constatou-se que a descarbonilação não é uma reação sensível à estrutura do catalisador. Verificou-se também a presença de resíduos sobre os catalisadores, possivelmente oriundos não somente da quebra da ligação C=O, mas também de reações de polimerização