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2 Hydroxy-1,4-naphthoquinone (Lawsone) as a redox catalyst for the improvement of the alkaline pretreatment of sugarcane bagasse.
(2021) Barreto, Elisa da Silva; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Pereira, Márcio César; Pasquini, Daniel; Guimarães, Valéria dos Santos; Gurgel, Leandro Vinícius Alves
This study evaluated the use of a new redox catalyst (2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, HNQ) in order to contribute to the preservation of the carbohydrate fraction and to increase delignification of sugarcane bagasse (SB) subjected to soda pretreatment, without inhibiting enzyme activity during saccharification. The effects of HNQ were compared to the well-known redox catalyst anthraquinone (AQ). A 25 1 fractional design and a 22 central composite design were used for optimization of the soda-HNQ pretreatment of SB. The use of HNQ promoted preservation of 76.4% cellulose and 86.2% hemicelluloses, as well as 86.1% delignification of raw SB, showing a superior performance than AQ. The optimized pretreatment conditions were 150 °C, 60 min, 15% (w w−1 ) NaOH, 0.4% (w w−1 ) HNQ, and a liquid-to-solid ratio of 9.6 mL g−1 . Saccharification of SB pretreated by soda HNQ yielded higher overall glucose (74.0%) and xylose (74.3%) yields compared to SB pretreated by AQ (64.9% glucose, 67.3% xylose).
Avaliação comparativa do processo auto-fermentativo e bioaumentado de diferentes amostras de bagaços de cana- de-açúcar : identificação da microbiota autóctone e produtos gerados.
(2023) Souza, Isabela Morato de; Silva, Silvana de Queiroz; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Silva, Silvana de Queiroz; Guimarães, Valéria Monteze; Zorel, José Augusto; Brandão, Rogélio Lopes; Barreto, Elisa da Silva
O bagaço de cana-de-açúcar (BCA) é um material remanescente da indústria sucroalcooleira considerado fonte renovável, de baixo custo e rico em açúcares. A conversão desta biomassa lignocelulósica em bioprodutos é uma alternativa favorável para amenizar problemas ambientais causados pelo uso excessivo de matéria-prima de origem fóssil, além de contribuir para o conceito de biorrefinaria. Entretanto, devido à sua estrutura recalcitrante, o acesso aos açúcares do biomaterial é um desafio para microrganismos fermentadores. Assim sendo, objetivando alcançar um bioprocesso consolidado, o presente estudo investigou o potencial hidrolítico e fermentativo da microbiota autóctone do BCA bruto durante sua fermentação, bem como a prospecção dos microrganismos presentes na biomassa. Nos ensaios de fermentação foram testadas amostras de BCA de seis usinas (A, B, C, D, E e F) na concentração de 10 g/L, monitoradas por 408 h a 37oC, sob agitação. As cepas cultiváveis foram coletadas no tempo 96 h e três delas (X, Y e Z) foram selecionadas para serem inoculadas individualmente em ensaios bioaumentados. A caracterização metagenômica do consórcio microbiano foi realizada e para quantificação dos metabólitos obtidos durante a fermentação foi feita a análise da fração líquida, enquanto a fração sólida foi caracterizada a fim de determinar os teores de celulose, hemiceluloses e lignina no início e ao final do ensaio. A microbiota presente nos bagaços no início da fermentação incluiu principalmente organismos do gênero Acetobacter, ao passo que, com 96 h de ensaio houve predominância de bactérias fermentadoras, como Clostridium, Enterobacter e Ruminiclostridium. Ao final do ensaio a abundância de Ruminiclostridium foi expressiva para as amostras analisadas neste momento. Dentre as condições testadas, alcançou-se a remoção de 37% da fração de lignina, 58% de celulose e 44% de hemiceluloses na fermentação do bagaço D por sua microbiota autóctone bioaumentada por Klebsiella pneumoniae (isolado X). Os principais produtos obtidos foram ácido caproico (2,81 g/L em Dy), etanol (2,68 g/L em A), ácido acético (1,15 g/L em D), ácido isobutírico (0,97 g/L em E), metanol (0,97 g/L em A) e ácido propiônico (0,34 g/L em C). Isto demonstra o elevado potencial lignocelulolítico da microbiota autóctone do BCA por acessar e fermentar o próprio substrato, demonstrando a possibilidade de obtenção de bioprodutos de valor agregado através do bioprocesso consolidado.
Fracionamento de bagaço de cana-de-açúcar empregando diferentes técnicas de pré-tratamento para a recuperação de glicose.
(2022) Ferreira, André Luis Rossoni; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Patrocinio, Antonio Otavio de Toledo; Herrera Adarme, Oscar Fernando; Barreto, Elisa da Silva
A recuperação de glicose a partir da celulose contido no bagaço da cana-de-açúcar é uma tarefa difícil e onerosa, pois, a hidrólise enzimática da celulose requer a adoção de pré-tratamentos delineados estrategicamente para desarranjar a matriz lignocelulósica concebida pela interação da celulose, hemiceluloses e lignina na célula vegetal. Portanto, na pesquisa descrita nesta dissertação foi avaliada a viabilidade técnica e ambiental da aplicação de uma estratégia de fracionamento do bagaço de cana empregando um pré-tratamento fotocatalítico (FC) após o pré-tratamento hidrotérmico (HT) seguido de extração alcalina (EA) para o isolamento e recuperação da celulose contida no bagaço de cana. Assim, o pré-tratamento hidrotérmico foi executado sob as condições de 183oC, por 41 min, 170 psi e relação líquido-sólido (RLS) de 3,94 mL de água por grama de bagaço de cana. Em seguida, a fração sólida resultante foi submetida a uma extração alcalina com solução aquosa de NaOH 0,2 mol L-1 (25oC, 30 s e RLS de 10 mL g-1 ). A fração sólida resultante das etapas de HT seguida de EA foram submetidas ao pré-tratamento fotocatalítico em temperatura ambiente (20-25°C) onde o teor de dióxido de titânio (0,5, 8,0, 15,5, 23,0 e 30,5% m m-1 ) e o tempo de reação (15, 40 e 65 min) foram variados simultaneamente em seis condições únicas delineadas por um planejamento experimental Doehlert, com triplicata no ponto central, em um total de nove experimentos. As frações sólidas geradas ao final do fracionamento do bagaço de cana foram submetidas a uma etapa de hidrólise enzimática catalisada por 10 FPU de enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas por grama de biomassa (50oC, pH 4,8, RLS de 10 mL g-1 , 72 h, 85% de Cellic CTec 2 e 15% de Cellic HTec 2 (v v-1 )). As variáveis resposta conversão enzimática, teor de celulose residual e deslignificação dos ensaios de pré-tratamento fotocatalítico foram analisadas estatisticamente e modelos empíricos foram construídos. A conversão enzimática experimental alcançou valores de até 97,7% e a análise da superfície de resposta levou a uma região experimental onde baixas concentrações de dióxido de titânio e curtos tempos de reação favoreceram a obtenção de maiores valores dessa variável. No entanto, os maiores valores de conversão enzimática não estão necessariamente atrelados aos maiores teores de celulose residual e deslignificação. A demanda total de 34,4 kWh de energia elétrica e de 22,6 L de água foi estimada ao fim dos pré- tratamentos fracionados na condição que produziu a biomassa que proporcionaria a melhor recuperação de glicose (163,4 g) a partir de 1000 g de bagaço bruto. A condição ótima para maior conversão enzimática, maior teor de celulose residual e maior deslignificação foi estimada com o emprego de 30,5% TiO2 (m m-1 ) e 59 min de reação, com conversão enzimática e deslignificação estimadas em 96,0% e 58,2%, respectivamente.
Fractionation of sugarcane bagasse using hydrothermal and advanced oxidative pretreatments for bioethanol and biogas production in lignocellulose biorefineries.
(2019) Bittencourt, Gustavo Amaro; Barreto, Elisa da Silva; Brandão, Rogélio Lopes; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Gurgel, Leandro Vinícius Alves
The fractionation of sugarcane bagasse (SB) by hydrothermal pretreatment (HP, autohydrolysis) followed by alkaline extraction (AE) and advanced oxidative pretreatment (AOP) for production of second-generation ethanol and biogas was investigated. The AOP of SB was optimized using a Doehlert design, varying the applied H2O2 load, liquid-to-solid ratio (LSR), and time. The responses evaluated were yield (Y), residual cellulose (RC), delignification (DE), and enzymatic conversion (EC). The AE of SB pretreated by HP led to 61.8% DE (using 0.2 mol L−1 NaOH). This high lignin removal enabled substantial savings of H2O2 in the AOP. The optimized AOP conditions led to 78% Y, 82.2% RC, 42.7% DE, and 88.9% EC (overall glucose yield of 60.9%). Fermentation of the enzymatic hydrolysate with Saccharomyces cerevisiae yielded 190.8 Lethanol tonSB−1. Biogas production by anaerobic digestion of residual liquid streams of the pretreatment steps yielded 27.46 NLCH4 kgSB−1. An energy balance was estimated for the SB fractionation.
On‐site produced enzyme cocktails for saccharifcation and ethanol production from sugarcane bagasse fractionated by hydrothermal and alkaline pretreatments.
(2022) Rodrigues, Patrísia de Oliveira; Barreto, Elisa da Silva; Brandão, Rogélio Lopes; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Pasquini, Daniel; Baffi, Milla Alves
Enzymatic blends produced by fungal monocultures and consortia cultured in solid-state fermentation (SSF), using sugarcane bagasse (SB) and wheat bran as substrates (1:1, w/w), were evaluated for saccharifcation of sugarcane bagasse pretreated by autohydrolysis (hydrothermal pretreatment—HP) and alkaline delignifcation (HP-Soda). The highest glucose releases were obtained after saccharifcations of SB pretreated by HP using enzyme cocktails produced by Aspergillus niger and by the consortium among A. fumigatus, Ganoderma lucidum and Trametes versicolor, with 10.8 and 9.8 g L−1, respectively. For SB pretreated by HP-Soda, the hydrolysate 10 (extract from A. niger, G. lucidum and Pleurotus ostreatus consortium) achieved maximal glucose concentration (11.92 g L−1). After alcoholic fermentation of the hydrolysates, the greatest ethanol yield in relation to the maximum theoretical yield (60.8%) was obtained in the fermentation of hydrolysate 1 (A. niger) obtained from SB pretreated by HP-Soda. These results demonstrated that on-site produced enzyme cocktails can be applied for sac- charifcation of pretreated sugarcane bagasse and also contribute to cost reduction of bioconversion processes.
Pretreated sugarcane bagasse with citric acid applied in enzymatic hydrolysis.
(2020) Gomes, Michelle Garcia; Santos, Renata Vidal dos; Barreto, Elisa da Silva; Baffi, Milla Alves; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo; Pasquini, Daniel
The objective of the study was to evaluate the pretreatment of sugarcane bagasse (SCB) with diluted citric acid solution in a pressurized system and its behavior when submitted to enzymatic hydrolysis using the Cellic CTec 3 enzyme complex, employing a Doehlert’s experimental design (23 ), with 5 central points (CP). The operating variables were temperature (T, °C), time (t, min) and percentage by weight of citric acid in relation to bagasse (PCA, wt%), ranging from 120 to 180°C for 20 to 90 min and 3 to 12 wt%, respectively. The pretreatments were effective in promoting changes in compositions of lignin, hemicellulose, and cellulose in all samples in relation to raw SCB. The concentrations of the glucose reached the maximum, 23.74 g/L, for the pretreated sample with temperature of 160°C, PCA 5.25 wt%, and reaction time of 20 min, while the xylose reached the maximum, 5.23 g/L, with the sample ob tained in the temperature of 150 C, PCA 7.5 wt% and 55 min.
Produção, purificação e caracterização de uma poligalacturonase do Chrysoporthe cubensis.
(2016) Barreto, Elisa da Silva; Guimarães, Valéria Monteze; Andrade, Milton Hércules Guerra de; Queiróz, José Humberto de
Os objetivos deste trabalho foram cultivar o fungo Chrysoporthe cubensis em diferentes fontes de carbono de baixo custo, para induzir a produção da poligalacturonase, purificar e caracterizar a enzima, para identificar propriedades funcionais interessantes para possíveis aplicações biotecnológicas. O fungo foi cultivado em meio semi sólido (67% de umidade), com farelo de trigo, casca de maracujá e casca de laranja, além disso os resíduos de frutas foram misturados ao farelo nas proporções 1:1, 3:1 e 9:1 (farelo: resíduo de fruta). O fungo apresentou maior produção da poligalacturonase em meio composto por farelo de trigo e casca de maracujá (3:1), com atividade de 41.49 U/g de substrato, sendo 1,32 vezes maior do que no cultivo em farelo de trigo puro. O extrato enzimático bruto foi purificado a partir da cromatografia de troca iônica DEAE-Sepharose, seguida por cromatografia em gel filtração em coluna Sephacryl S-200, exibindo atividade específica de 1117,45U/mg, com aumento de 28,34 vezes e rendimento final de 29,2 %. A massa molecular da poligalacturonase, obtida através de SDS-PAGE 12% foi de, aproximadamente, 40,74Kd. A enzima apresentou pH e temperatura ótimos de 3,5 e 50°C, repectivamente, e meia vida de 4,05 minutos a 50°C. A enzima se manteve estável na faixa de pH de 2,5 a 8,5, apresentando acima de 80% da atividade após 1h. O substrato preferencial da enzima foi o ácido poligalacturônico e o km e Vmax foi de 0,766 mg.mL-1 e 1,88U/mL, respectivamente. Os resultados obtidos neste trabalho indicam que a PG de C. cubensis é uma enzima importante dentro do complexo hidrolítico secretado pelo fungo quando cultivado em SSF, em meio contendo resíduos agroindustriais.
Production of biogas and fermentable sugars from spent brewery grains : evaluation of one- and two-stage thermal pretreatment in an integrated biorefinery.
(2021) Camargos, Adonai Bruneli de; Fonseca, Yasmim Arantes da; Silva, Nayara Clarisse Soares; Barreto, Elisa da Silva; Herrera Adarme, Oscar Fernando; Paranhos, Aline Gomes de Oliveira; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Baeta, Bruno Eduardo Lobo
In this study, the production of fermentable sugars and biogas from thermally pretreated brewer’s spent grains (BSGs) was investigated. There were two autohydrolysis conditions (C1-1S: 180 oC, 30 min, 5 mLH2O gBSG − 1 and C2- 1S: 180 oC, 60 min, 5 mLH2O gBSG − 1 ) which were evaluated, with and without a previous low severity pretreatment (80 oC, 10 min, 10 mLH2O gBSG − 1 ). The highest specific methane production (302.4 NLCH4 kgCOD − 1 ) and enzymatic hydrolysis yield (EHY of 98%, 50 FPU gBSG − 1 ) were obtained from the two-stage pretreatment, with the second stage operated at 180 ◦C for 60 min, 5 mLH2O gBSG − 1 . However, in the integrated process, the two-stage pre- treatment with the second stage performed at 180 ◦C for 30 min, and 5 mLH2O gBSG − 1 was the best condition to produce fermentable sugars from enzymatic hydrolysis of pretreated BSGs, using a lower enzyme loading (EHY of 93%, 25 FPU gBSG − 1 ). The burning of biogas produced from an anaerobic digestion of liquid fractions (hydroly- sates) generated after two-stage thermal pretreatment in a combined heat and power system can produce a net thermal energy of 1.71 MJ kgBSG dry basis − 1 and electrical energy of 0.392 kW h kgBSG dry basis − 1 .