Celulases fúngicas: produção por cultivo sólido em biorreator de leito empacotado usando resíduos sólidos agroindustriais como substratos e aplicação na hidrólise de bagaço de cana

Autores

DOI:

https://doi.org/10.5433/1679-0359.2020v41n5supl1p2097

Palavras-chave:

Bioetanol, Celulases, Pré-tratamento, Sacarificação, Cultivo sólido.

Resumo

Celulases são essenciais para a hidrólise de materiais lignocelulósicos visando à produção de etanol de segunda geração. O cultivo em estado sólido é um processo que proporciona altas concentrações de enzimas que podem ser aplicadas nessa hidrólise. O objetivo deste trabalho foi produzir celulases pelo fungo Myceliophthora thermophila I-1D3b em biorreator de leito empacotado com bagaço de cana (BC) e farelo de trigo (FT) como substrato e avaliar a eficiência deste extrato enzimático na hidrólise de bagaço de cana in natura (BIN) e pré-tratado com ozônio, álcali e ultrassom (BOU). As condições para produção de enzimas no biorreator foram BC:FT numa proporção de 2,3:1 (m/m); 75 % de umidade em base úmida; 45 ºC; taxa de aeração 240 L h-1 e 96 h. A produção de enzimas foi avaliada pelas atividades de endoglucanase, xilanase, papel de filtro (FPU) e ?-glicosidase. Para a aplicação das enzimas, foi utilizado um planejamento de superfície de resposta central composto com 5 repetições do ponto central, tendo como fatores o volume de extrato enzimático e o tempo de hidrólise. Esse cultivo produziu as seguintes atividades enzimáticas: 723 U gss-1 de endoglucanases, 2024 U gss-1 de xilanase, 12,6 U gss-1 de FPU e 41 U gss-1 de ?-glucosidase. Os resultados da aplicação dessas enzimas na hidrólise indicaram como ótimos 7,0 ml de extrato enzimático (4,2 FPU) e 6 horas para BIN e BOU. As melhores conversões de celulose-glicose foram obtidas para a BOU, atingindo 32,1 % a 65 ºC. Em conclusão, a produção de enzimas no biorreator de leito compactado foi eficiente e o pré-tratamento BOU melhorou a hidrólise da biomassa, aumentando a eficiência de conversão de celulose em glicose.

Downloads

Não há dados estatísticos.

Biografia do Autor

Priscila Aparecida Casciatori Frassatto, Universidade Estadual Paulista

Discente do Curso de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Química, Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, IBILCE, Universidade Estadual Paulista, UNESP, São José do Rio Preto, SP, Brasil.

Fernanda Perpétua Casciatori, Universidade Federal de São Carlos

Profª. Drª, Universidade Federal de São Carlos, UFSCar, São Carlos, SP, Brasil.

João Cláudio Thoméo, Universidade Estadual Paulista

Prof. Dr., Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, IBILCE, UNESP, São José do Rio Preto, SP, Brasil.

Eleni Gomes, Universidade Estadual Paulista

Profa Dra, Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, IBILCE, UNESP, São José do Rio Preto, SP, Brasil.

Maurício Boscolo, Universidade Estadual Paulista

Prof. Dr., Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, IBILCE, UNESP, São José do Rio Preto, SP, Brasil.

Roberto da Silva, Universidade Estadual Paulista

Prof. Dr., Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, IBILCE, UNESP, São José do Rio Preto, SP, Brasil.

Referências

Afonso, L. C. (2012). Produção de celulases por cultivo em estado sólido e aplicação na hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar. Dissertação de mestrado, Universidade de São Paulo, SP, Brasil.

Badhan, A. K., Chadha, B. S., Kaur, J., Saini, H. S., & Bhat, M. K. (2007). Production of multiple xylanilytic and cellulolytic enzymes by thermophilic fungus Myceliophthora sp. IMI 387099. Bioresource Technology, 98(3), 504-510. doi: 10.1016/j.biortech.2006.02.009

Bailey, M. J., Peterbiely, P., & Poutanen, K. (1992). Interlaboratory testing of methods for assay of xylanase activity. Journal of Biotechnology, 23(3), 257-270. doi: 10.1016/0168-1656(92)90074-J

Balat, M., Balat, H., & Öz, C. (2008). Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, 34(5), 551-573. doi: 10.1016/j.pecs.2007.11.001

Baruah, J., Nath, B. K., Sharma, R., Kumar, S., Deka, R. C., Baruah, D. C., & Kalita, E. (2018). Recent trends in the pretreatment of lignocellulosic biomass for value-added products. Frontiers in Energy Research, 6, 1-19. doi: 10.3389/fenrg.2018.00141

Bi, S., Peng, L., Chen, K., & Zhu, Z. (2016). Enhanced enzymatic saccharification of sugarcane bagasse pretreated by combining O2 and NaOH. Bioresource Technology, 214, 692-699. doi: 10.1016/j.biortech. 2016.05.041

Calado, V., & Montgomery, D. (2003). Planejamento de experimentos usando o Statistic. Rio de Janeiro: E-papers Serviços Editoriais.

Canilha, L., Chandel, A. K., Milessi, T. S. S., Antunes, F. A. F., Freitas, W. L. C., Felipe, M. G. A., & Silva, S. S. da. (2012). Bioconversion of sugarcane biomass into ethanol: an overview about composition, pretreatment methods, detoxification of hydrolysates, enzymatic saccharification, and ethanol fermentation. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2012, 1-15. doi: 10.1155/2012/989572

Cantwell, B. A., Sharp, P. M., Gormley, E., & Mcconnell, D. J. (1988). Molecular cloning of bacillus b-glucanases. In J. P. Aubert, P. Beguin, & J. Millet (Eds.), Biochemistry and genetics of cellulose degradation (pp. 181-201). San Diego: Academic Press.

Casciatori, F. P., Bück, A., Thoméo, J. C., & Tsotsas, E. (2016). Two-phase and two-dimensional model describing heat and water transfer during solid-state fermentation within a packed-bed bioreactor. Chemical Engineering Journal, 287, 103-116. doi: 10.1016/j.cej.2015.10.108

Casciatori, F. P., Casciatori, P. A., & Thoméo, J. C. (2013). Cellulase production in packed bed bioreactor by solid-state fermentation. Proceedings of the European Biomass Conference and Exhibition, Copenhagen, Dinamarca, 21st. doi: 10.5071/21stEUBCE2013-3DV.1.13

Derakhti, S., Shojaosadati, S. A., Hashemi, M., & Khajeh, K. (2012). Process parameters study of α-amylase production in a packed-bed bioreactor under solid-state fermentation with possibility of temperature monitoring. Preparative Biochemistry and Biotechnology, 42(3), 203-216. doi: 10.1080/10826068.2011. 599466

Fan, L. T., Gharpuray, M. M., & Lee, Y. H. (1987). Cellulose hydrolysis biotechnology monographs. Berlin: Springer-Verlag.

Florencio, C., Badino, A. C., & Farinas, C. S. (2017). Desafios relacionados à produção e aplicação das enzimas celulolíticas na hidrólise da biomassa lignocelulósica. Química Nova, 40(9), 1082-1093. doi: 10. 21577/0100-4042.20170104

Frassatto, P. A. C., Casciatori, F. P., Thoméo, J. C., Gomes, E., Boscolo, M., & Silva, R. da. (2020). β-Glucosidase production by Trichoderma reesei and Thermoascus aurantiacus by solid state cultivation and application of enzymatic cocktail for saccharification of sugarcane bagasse. Biomass Conversion and Biorefinery, 1-11. doi: 10.1007/s13399-020-00608-1

Ghildyal, N. P., Gowthaman, M. K., Raghava Rao, K. S. M. S., & Karanth, N. G. (1994). Interaction of transport resistances with biochemical reaction in packed-bed solid-state fermentors: Effect of temperature gradients. Enzyme and Microbial Technology, 16(3), 253-257. doi: 10.1016/0141-0229(94) 90051-5

Ghose, T. K. (1987). Measurement of cellulase activities. Pure and Applied Chemistry, 59(2), 257-268. doi: 10.1351/pac198759020257

Kalogeris, E., Christakopoulos, P., Katapodis, P., Alexiou, A., Vlachou, S., Kekos, D., & Macris, B. J. (2003). Production and characterization of cellulolytic enzymes from the thermophilic fungus Thermoascus aurantiacus under solid state cultivation of agricultural wastes. Process Biochemistry, 38(7), 1099-1104. doi: 10.1016/S0032-9592(02)00242-X

Leite, R. S. R., Bocchini, D. A., Martins, E. S., Silva, D., Gomes, E., & Silva, R. da. (2007). Production of cellulolytic and hemicellulolytic enzymes from Aureobasidium pulluanson solid state fermentation. Applied Biochemistry and Biotechnology, 137(1-12), 281-288. doi: 10.1007/s12010-007-9058-y

Liu, C., Suna, R., Qin, M., Zhang, A., Rena, J., Xub, F.,… Wu, S. (2007). Chemical modification of ultrasound-pretreated sugarcane bagasse with maleic anhydride. Industrial Crops and Products, 26(2), 212-219. doi: 10.1016/j.indcrop.2007.03.007

Lopes, A. M., Ferreira, E. X., Fº., & Moreira, L. R. S. (2018). An update on enzymatic cocktails for lignocellulose breakdown. Journal of Applied Microbiology, 125(3), 632-645. doi: 10.1111/jam.13923

Manan, M. A., & Webb, C. (2017). Design aspects of solid state fermentation as applied to microbial bioprocessing. Journal of Applied Biotechnology & Bioengineering, 4(1), 511-532. doi: 10.15406/jabb. 2017.04.00094

Miller, G. L. (1959). Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analytical Chemistry, 31(3), 426-428. doi: 10.1021/ac60147a030

Mishima, D., Tateda, M., Ike, M., & Fujita, M. (2006). Comparative study on chemical pretreatments to accelerate enzymatic hydrolysis of aquatic macrophyte biomass used in water purification processes. Bioresource Technology, 97(16), 2166-2172. doi: 10.1016/j.biortech.2005.09.029

Mitchell, D. A., Krieger, N., & Berovic, M. (2006). Solid-state fermentation bioreactors: fundamentals, design and operation. Berlin: Springer-Verlag.

Mitchell, D. A., Pandey, A., Sangsurasak, P., & Krieger, N. (1999). Scale-up strategies for packed bed bioreactors for solid state fermentation. Process Biochemistry, 35(1-2), 167-178. doi: 10.1016/S0032-9592(99)00048-5

Molina, G., Contesini, F. J., Melo, C. R. R. de, Sato, H. H., & Pastore, G. M. (2016). β-Glucosidase from Aspergillus. In V. K. Gupta (Eds.), New and future developments in microbial biotechnology and bioengineering: aspergillus system properties and applications (pp. 155-169). Amsterdã: Elsevier.

Montgomery, D. C. (2001). Design and analysis of experiments. New York: John Wiley & Sons.

Moretti, M. M. S., Bocchini-Martins, D. A., Silva, R. da, Rodrigues, A., Sette, L. D., & Gomes, E. (2012). Selection of thermophilic and thermotolerant fungi for the production of cellulases and xylanases under solid-state fermentation. Brazilian Journal of Microbiology, 43(3), 1062-1071. doi: 10.1590/S1517-83822012000300032

Oliveira Rodrigues, P. de, Pereira, J. C., Queiroz, D., Gurgel, L. V. A., Pasquini, D., & Baffi, M. A. (2017). Synergistic action of an Aspergillus (hemi-) cellulolytic consortium on sugarcane bagasse saccharification. Industrial Crops and Products, 109(1), 173-181. doi: 10.1016/j.indcrop.2017.08.031

Pereira, J. C., Travaini, R., Marques, N. P., Bolado-Rodríguez, S., & Martins, D. A. B. (2016). Saccharification of ozonated sugarcane bagasse using enzymes from Myceliophthora thermophila JCP 1-4 for sugars release and etanol production. Bioresource Technology, 204, 122-129. doi: 10.1016/j. biortech.2015.12.064

Perez, C. L., Casciatori, F. P., & Thoméo, J. C. (2019). Strategies for scaling-up packed-bed bioreactors for solid-state fermentation: the case of cellulolytic enzymes production by a thermophilic fungus. Chemical Engineering Journal, 361, 1142-1151. doi: 10.1016/j.cej.2018.12.169

Perrone, O. M., Colombari, F. M., Rossi, J. S., Moretti, M. M. S., Bordignon, S. E., Nunes, C. C. C., Silva, R. da. (2016). Ozonolysis combined with ultrasound as a pretreatment of sugarcane bagasse: effect on the enzymatic saccharification and the physical and chemical characteristics of the substrate. Bioresource Technology, 218, 69-76. doi: 10.1016/j.biortech.2016.06.072

Plácido, J., & Capareda, S. (2014). Analysis of alkali ultrasonication pretreatment in bioethanol production from cotton gin trash using FT-IR spectroscopy and principal component analysis. Bioresources and Bioprocessing, 1(23), 1-9. doi: 10.1186/s40643-014-0023-7

Sandgren, M., Stahlberg, J., & Mitchinson, C. (2005). Structural and biochemical studies of GH family 12 cellulases: improved thermal stability, and ligand complexes. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 89(3), 246-291. doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2004.11.002

Silva, R. da, Lago, E. S., Merheb, C. W., Macchione, M. M., & Park, Y. K. (2005). Production of xylanase and CMCase on solid state fermentation in different residues by Thermoascus aurantiacus Miehe. Brazilian Journal of Microbiology, 36(3), 235-241. doi: 10.1590/S1517-83822005000300006

Sluiter, A., Hames, B., Ruiz, R. O., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D., & Crocker, D. (2008). Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass. Technical Report NREL, TP-510-42618). Biomass Anal. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory Technol. (Recuperado de https://www.nrel.gov/biomass/pdfs/42618.pdf

Soni, R., Nazir, A., Chadha B. S., & Saini, H. S. (2008). Novel sources of fungal cellulases for efficient deinking of composite paper wast. Bioresources, 3(1), 234-246.

Souza-Corrêa, J. A., Oliveira, C., Nascimento, V. M., Wolf, L. D., Gómez, E. O., Rocha, G. J. M., & Amorim, J. (2014). Atmospheric pressure plasma pretreatment of sugarcane bagasse: the influence of biomass particle size in the ozonation process. Applied Biochemistry and Biotechnology, 172(3), 1663-1672. doi: 10.1007/s12010-013-0609-0

Souza-Corrêa, J. A., Ridenti, M. A., Oliveira, C., Araújo, S. R., & Amorim, J. (2013). Decomposition of lignin from sugar cane bagasse during ozonation process monitored by optical and mass spectrometries. The Journal of Physical Chemistry, 117(11), 3110-3119. doi: 10.1021/jp3121879

Sun, J. X., Sun, R., Sun, X. F., & Su, Y. (2004). Fractional and physico-chemical characterization of hemicelluloses from ultrasonic irradiated sugarcane bagasse. Carbohydrate Research, 339(2), 291-300. doi: 10.1016/j.carres.2003.10.027

Travaini, R., Otero, M. D. M., Coca, M., Silva, R. da, & Bolado, S. (2013). Sugarcane bagasse ozonolysis pretreatment: effect on enzymatic digestibility and inhibitory compound formation. Bioresource Technology, 133, 332-339. doi: 10.1016/j.biortech.2013.01.133

Velmurugan, R., & Muthukumar, K. (2011). Utilization of sugarcane bagasse for bioethanol production: sono-assisted acid hydrolysis approach. Bioresource Technology, 102(14), 7119-7123. doi: 10.1016/j. biortech.2011.04.045

Yang, H., Yan, R., Chen, H., Lee, D. H., & Zheng, C. (2007). Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel, 86(12-13), 1781-1788. doi: 10.1016/j.fuel.2006.12.013

Zanelato, A. I., Shiota, V. M., Gomes, E., & Thoméo, J. C. (2012). Endoglucanase production with the newly isolated Myceliophthora sp. I-1D3b in a packed bed solid state fermentor. Brazilian Journal of Microbiology, 43(4), 1536-1544. doi: 10.1590/S1517-83822012000400038

Downloads

Publicado

2020-08-07

Como Citar

Frassatto, P. A. C., Casciatori, F. P., Thoméo, J. C., Gomes, E., Boscolo, M., & Silva, R. da. (2020). Celulases fúngicas: produção por cultivo sólido em biorreator de leito empacotado usando resíduos sólidos agroindustriais como substratos e aplicação na hidrólise de bagaço de cana. Semina: Ciências Agrárias, 41(5supl1), 2097–2116. https://doi.org/10.5433/1679-0359.2020v41n5supl1p2097

Edição

Seção

Artigos

Artigos Semelhantes

Você também pode iniciar uma pesquisa avançada por similaridade para este artigo.