HIDRÓLISE ENZIMÁTICA EM SISTEMAS DE ALTA PRESSÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ[pic 1]

SETOR DE CIÊNCIAS EXATAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

Bruna Cordeiro

Iniciação Tecnológica (PIBIQ/CNPq)

Setembro 2012 a Dezembro 2012

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA EM SISTEMAS DE ALTA PRESSÃO:

Potencial de sacarificação e estabilidade enzimática

                                              Relatório apresentado à

                                                    Coordenadoria de Iniciação

                                                                   Científica e Integração Acadêmica da

                                                                 Universidade Federal do Paraná por

                                                                  ocasião da conclusão das atividades

    de Iniciação Científica - Edital 2011/2012.

Orientador: Prof. Dr. Luiz Pereira Ramos / Departamento de Química.

Título do Projeto: Produção de etanol de segunda geração via pré-tratamento e hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos.

Número de Registro no BANPESQ/THALES: 1993003323

Pré-tratamento e Bioconversão de biomassa lignocelulósica residual.

CURITIBA

2012

ÍNDICE

1.        RESUMO        

2.        INTRODUÇÃO        

3.        REVISÃO BIBLIOGRÁFICA        

3.1.        Uso da biomassa para produção de etanol celulásico.        

3.2.        Uso de CO2 supercrítico no pré-tratamento da biomassa        

3.3.        Uso de Líquidos Iônicos no pré-tratamento de biomassa        

3.4.        Hidrólise enzimática da biomassa pré-tratada        

4.        MATERIAIS E MÉTODOS        

4.1.        Enzimas        

4.2.        Efeito da temperatura e pressão sob o Potencial de Sacarificação e o Perfil Hidrolítico do complexo enzimático Cellic CTec2.        

4.3.        Cinética Enzimática        

4.4.        Tolerância do complexo enzimático frente a diferentes concentrações de Líquido Iônico        

5.        RESULTADOS E DISCUSSÃO        

5.1.        Determinação do efeito da concentração de líquido iônico no potencial de sacarificação e no perfil hidrolítico da Cellic CTec2.        

5.2.        Investigação do efeito da estabilidade enzimática da Cellic CTec2 em diferentes temperaturas.        

5.3.        Determinação do efeito da pressão no perfil hidrolítico do complexo enzimático Cellic CTec2.        

5.4.        Estudo da Cinética reacional com o Perfil Hidrolítico e o Potencial de Sacarificação.        

6.        CONCLUSÃO        

7.        REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS        

8.        RELATÓRIO DE ATIVIDADES COMPLEMENTARES        

9.        APRECIAÇÃO DO ORIENTADOR        

ANEXOS        

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA EM SISTEMAS DE ALTA PRESSÃO:

Potencial de sacarificação e estabilidade enzimática

1. RESUMO

Materiais lignocelulósicos como bagaço e palha de cana-de-açúcar têm sido amplamente estudados como matéria-prima para a produção de etanol de segunda geração. No entanto, estes materiais apresentam uma resistência natural à bioconversão, o que torna necessária a realização de etapas de pré-tratamento para promover o fracionamento e aumentar a acessibilidade química dos principais componentes da parede celular frente à hidrólise enzimática. A produção de etanol de segunda geração é realizada em quatro etapas: (1) o pré-tratamento da biomassa, a fim de aumentar a acessibilidade dos polissacarídeos à conversão; (2) uma vez acessível os polissacarídeos são hidrolisados por via química ou enzimática gerando um xarope rico em açúcares fermentescíveis; (3) este, por sua vez, é fermentado a etanol; e, por fim, (4) o etanol produzido é recuperado por processos de separação. Sabe-se que muitas estratégias têm sido empregadas para aumentar a estabilidade enzimática como engenharia genética, imobilização e realização de processos em meios não aquosos. Estas ferramentas são realizadas objetivando melhores desempenhos destes catalisadores e assim maior viabilidade de processo. Enquanto que cada uma destas estratégias apresentam diferentes magnitudes de melhorias no desempenho enzimático, a aplicação de alta pressão pode ser uma ferramenta sinérgica em conjunto com uma destas alternativas, ou mesmo uma técnica independente para a melhoria da atuação de um determinado preparado enzimático. Sistemas supercríticos têm sido aplicados também no pré-tratamento de materiais lignocelulósicos. Além dos sistemas de alta pressão, recentemente líquidos iônicos têm sido reportados como solventes eficientes no pré-tratamento de materiais lignocelulósicos, porém apesar disso ainda apresentam-se com uma alternativa onerosa para estes processos. Líquidos iônicos têm sido aplicados também como meios reacionais para processos enzimáticos, apresentando em grande parte régio e enantiosseletividade. Apesar disso, em sistemas com alta proporção de líquido iônico, as enzimas podem sofrer desnaturação. Cabe ressaltar também, que não há na literatura trabalhos que descrevam o efeito de sistemas de alta pressão na presença de líquidos iônicos no desempenho de preparados celulásicos. Neste sentido, este trabalho tem por objetivo avaliar a estabilidade e o desempenho de preparados enzimáticos em sistemas de alta pressão, na presença ou não de pequenas porções de líquido iônico. Dessa forma, pretendeu-se aumentar os rendimentos de taxas de sacarificação da celulose utilizando menores cargas enzimáticas e minimizar os efeitos inibidores da fermentação. Com isso, foram realizados em sistema de  alta pressão na presença ou não de líquidos iônicos estudos de estabilidade enzimática em condições supercríticas, bem como ensaios de hidrólise enzimática de lignocelulose pré-tratada. O efeito do sistema de alta pressão na estabilidade enzimática de um preparado celulásico de última geração (Cellic CTec 2, fornecido pela Novozymes) foi acompanhada condicionando uma solução deste preparado em alta pressão na presença de dióxido de carbono juntamente com líquido iônico. Neste caso, a atividade enzimática foi monitorada utilizando papel de filtro Whatmann N°1 como substrato, durante 60 min de reação, a qual será interrompida pela adição de reagente DNS. Então a solução foi levada à fervura por  5 min para posterior determinação espectroscópica de açúcares redutores. O potencial de sacarificação do preparado enzimático em condições de alta pressão foi verificado realizando ensaios de hidrólise enzimática de bagaço e palha de cana, na presença de dióxido de carbono supercrítico e líquido iônico. Portanto, efeitos de parâmetros como pressão e temperatura no desempenho e na estabilidade de um preparado enzimático foram verificados segundo o design experimental por planejamento fatorial. A fim de medir os efeitos de temperatura e pressão sob o comportamento do complexo enzimático Cellic CTec2 utilizou-se do Reator Parr, com capacidade de 50mL, bomba de alta pressão, banhos termostatizados e cilindro de CO2. Observou-se que a atividade total e a liberação de açúcares redutores insolúveis, produzidos majoritariamente pela ação das EnGs, sofreram alterações significativas com o aumento da concentração de líquido iônico, enquanto que as atividades ExG e BG foram as menos sensíveis a este aumento. Observou-se também um aumento na atividade enzimática até que atinja os 50°C e diminuição após esta temperatura para uma totalidade, EnG e BG. Porém, a atividade ExG diminui linearmente com o aumento da temperatura.