Trabalho de Conclusão de Curso

Documento

Autoria

Stancari, Rafaela Arantes

Unidade da USP

Data de Apresentação

Orientador

Silva, Maria Bernadete Amancio Varesche

Banca

Motteran, Fabricio
Soares, Laís Americo

Título em Português

Otimização do pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar por complexo enzimático extraído do fungo Aspergillus niger visando à produção biológica de hidrogênio

Palavras-chave em Português

Resíduo sólido lignocelulósico
Pré-tratamento biológico
Recuperação energética
Bioengenharia de produção de hidrogênio

Resumo em Português

O bagaço de cana-de-açúcar (BCA) consiste em um dos subprodutos da usina sucroalcooleira que no estado de São Paulo, atualmente, soma valor significativo no final de sua linha de produção. A utilização deste resíduo lignocelulósico para a produção de biocombustíveis como o hidrogênio tem sido alternativa de reaproveitamento em relação àquela parcela incorporada em outras atividades como a queima em caldeiras ou o simples descarte. Tais resíduos possuem grande resistência na sua constituição estrutural necessitando passar por pré-tratamento que permita o acesso das enzimas hidrolíticas durante a atividade fermentativa empregada na produção biológica de hidrogênio. Diante disto, o objetivo deste estudo foi realizar o pré-tratamento biológico do BCA aplicando o complexo celulolítico produzido por fungo Aspergillus niger para posterior uso em reator em batelada visando favorecer a produção de hidrogênio por processo fermentativo. Para tanto, foram realizadas duas Fases de Trabalho. A Fase 1 visou o desenvolvimento da metodologia de extração de caldo enzimático e englobou testes para confirmação da viabilidade de aplicação do A. niger na ciclagem dos substratos de interesse neste trabalho, celulose e BCA; a comprovação da real necessidade de extração do complexo enzimático e a obtenção da condição máxima de extração do mesmo. A Fase 2 do trabalho visou maximizar o pré-tratamento biológico com o caldo enzimático extraído. Para tal realizou-se dois principais testes de produção de hidrogênio, ambos aplicando Clostridium butirycum como inóculo fermentativo, se diferenciando pelo substrato: BCA estéril com diferentes concentrações do extrato enzimático expressa em filter paper unit - FPU (120, 240 e 360 FPU/mL) em diferentes tempos de contato enzima-substrato (96, 120 e 144 h); e BCA não estéril com 120 FPU, em três tempos de contato enzima-substrato (96, 120 e 144 h). Sob tais condições, obteve-se redução no tempo de obtenção do hidrogênio. Para a celulose pré-tratada biologicamente obteve-se menor tempo (5 vezes) de obtenção em relação ao substrato bruto. Por sua vez, observou-se a redução do tempo para obtenção de H2 em 100 vezes quando aplicado complexo enzimático no BCA sem pré-tratamento hidrotérmico, em comparação com os ensaios em que este pré-tratamento adicional foi aplicado. Desta última observação concluiu-se que a retirada do processo de esterilização do substrato previamente à produção biológica de hidrogênio foi melhor em termos produtivos, o que torna o processo de tratamento mais viável em termos de aplicação industrial. Os procedimentos de otimização da obtenção do caldo enzimático proporcionaram caldo enzimático com 24 FPU/mL de atividade enzimática. A partir da otimização do pré-tratamento biológico da aplicação do caldo enzimático obteve-se produção e velocidade máxima de produção de H2 de 7,06±0,02 mmol/L e 0,35±0,04 mmol/L.h, após 144 h de contato enzima-substrato e 120 FPU de atividade enzimático. Conclui-se, portanto, que a metodologia de extração de caldo enzimático a partir de A. niger foi viável e favorável a maximização da produção de hidrogênio com relação à aplicação de substrato bruto.

Título em Inglês

Optimization of the enzymatic pre-treatment of sugarcane bagasse by a complex extracted from the fungus Aspergillus niger aiming at the biological production of hydrogen

Palavras-chave em Inglês

Lignocellulosic solid residue
Biological pre-treatment
Energy recovery
Bioengineering of hydrogen production

Resumo em Inglês

Currently, in the state of São Paulo, sugarcane bagasse (SCB) consists in of one of the by-products of the sugar-alcohol plants that sums significant value at the end of its production line. The use of lignocellulosic residue to produce biofuels, such as hydrogen, has been an alternative for reusing the excess residue that is not incorporated in other activities, such as burning in boilers. Such residues have a resistant structure constitution, demanding to undergo a pretreatment process to allow access of the hydrolytic enzymes responsible for the fermentative activity during biological production of hydrogen. Therefore, the objective of this study was to perform the biological pre-treatment of the SCB applying the cellulolytic complex produced by Aspergillus niger fungus for later use in a batch reactor to favor the production of hydrogen by fermentative process. Consequently, two Phases of Work were carried out. Phase 1 focused on the development of enzyme broth extraction methodology and included: tests to confirm the feasibility to apply A. niger to cycle the substrates of interest in this work, cellulose and BCA; the confirmantion of the real need for extraction the enzymatic complex and to obtain the maximum condition of extraction of cellulolytic broth. Phase 2 of the study aimed to maximize the biological pretreatment with the extracted enzyme broth. For this, two main hydrogen production tests were performed, both applying Clostridium butirycum as fermentative inoculum, differentiating by substrate: Sterile BCA with different concentrations of the enzymatic extract expressed in filter paper unit - FPU (120, 240 and 360 FPU/mL ) at different enzyme-substrate contact periods (96, 120 and 144 h); and non-sterile BCA with 120 FPU, in three enzyme-substrate contact times (96, 120 and 144h). In both substrates analyzed, the biological treatment had great significance in reducing the time of obtaining the by-product of interest, the hydrogen. When applying the biologically pre-reated cellulose the time of production was reduced by about 5 times when compared to the crude substrate. In sequence, the time reduction was of 100 times for obtaining H2 when applied enzymatic complex in the BCA without hydrothermal pretreatment, in comparison to the tests in which this additional pretreatment was applied. From this last observation it was concluded that the withdrawal of the sterilization process from the substrate prior to the biological production of hydrogen was better in productive terms, which makes the treatment process proposed here more feasible in terms of industrial application. The enzyme broth optimization procedures provided 24 FPU/mL of enzymatic activity. From the optimization of the biological pretreatment of the enzyme broth application, the production and maximum production rate of H2 were 7.06 ± 0.02 mmol/L and 0.35±0.04 mmol/Lh, after 144 h of enzyme-substrate contact and 120 FPU of enzymatic activity. It is concluded, therefore, that the methodology of extraction of enzyme broth from A. niger was viable and favorable to optimize the process.

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Data de Publicação

2019-04-29

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