Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2014
Autor(a) principal: Souza Filho, Pedro Ferreira de
Orientador(a): Macedo, Gorete Ribeiro de
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Departamento: Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais
País: BR
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15853
Resumo: The need for new sources of energy and the concern about the environment have pushed the search for renewable energy sources such as ethanol. The use of lignocellulosic biomass as substrate appears as an important alternative because of the abundance of this raw material and for it does not compete with food production. However, the process still meets difficulties of implementation, including the cost for production of enzymes that degrade cellulose to fermentable sugars. The aim of this study was to evaluate the behavior of the species of cactus pear Opuntia ficus indica and Nopalea cochenillifera, commonly found in northeastern Brazil, as raw materials for the production of: 1) cellulosic ethanol by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process, using two different strains of Saccharomyces cerevisiae (PE-2 and LNF CA-11), and 2) cellulolytic enzymes by semi-solid state fermentation (SSSF) using the filamentous fungus Penicillium chrysogenum. Before alcoholic fermentation process, the material was conditioned and pretreated by three different strategies: alkaline hydrogen peroxide, alkaline using NaOH and acid using H2SO4 followed by alkaline delignification with NaOH. Analysis of composition, crystallinity and enzymatic digestibility were carried out with the material before and after pretreatment. In addition, scanning electron microscopy images were used to compare qualitatively the material and observe the effects of pretreatments. An experimental design 2² with triplicate at the central point was used to evaluate the influence of temperature (30, 40 and 45 °C) and the initial charge of substrate (3, 4 and 5% cellulose) in the SSF process using the material obtained through the best condition and testing both strains of S. cerevisiae, one of them flocculent (LNF CA-11). For cellulase production, the filamentous fungus P. chrysogenum was tested with N. cochenillifera in the raw condition (without pretreatment) and pretrated hydrothermically, varying the pH of the fermentative medium (3, 5 and 7). The characterization of cactus pear resulted in 31.55% cellulose, 17.12% hemicellulose and 10.25% lignin for N. cochenillifera and 34.86% cellulose, 19.97% hemicellulose and 15.72% lignin for O. ficus indica. It has also been determined, to N. cochenillifera and O. ficus indica, the content of pectin (5.44% and 5.55% of calcium pectate, respectively), extractives (26.90% and 9.69%, respectively) and ashes (5.40% and 5.95%). Pretreatment using alkaline hydrogen peroxide resulted in the best cellulose recovery results (86.16% for N. cochenillifera and 93.59% for O. ficus indica) and delignification (48.79% and 23.84% for N. cochenillifera and O. ficus indica, respectively). This pretreatment was also the only one which did not increase the crystallinity index of the samples, in the case of O. ficus indica. However, when analyzing the enzymatic digestibility of cellulose, alkali pretreatment was the one which showed the best yields and therefore it was chosen for the tests in SSF. The experiments showed higher yield of conversion of cellulose to ethanol by PE-2 strain using the pretreated N. cochenillifera (93.81%) at 40 °C using 4% initial charge of cellulose. N. cochenillifera gave better yields than O. ficus indica and PE-2 strain showed better performance than CA-11. N. cochenillifera proved to be a substrate that can be used in the SSSF for enzymes production, reaching values of 1.00 U/g of CMCase and 0.85 FPU/g. The pretreatment was not effective to increase the enzymatic activity values
id UFRN_914f37f8e35c4972f6ef30c0dd9f0944
oai_identifier_str oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/15853
network_acronym_str UFRN
network_name_str Repositório Institucional da UFRN
repository_id_str
spelling Souza Filho, Pedro Ferreira dehttp://lattes.cnpq.br/3140602874903609http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788057U7Almeida, Andréa Farias dehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4762972A4Oliveira, Jackson Araújo dehttp://lattes.cnpq.br/5058617634570704Macedo, Gorete Ribeiro de2014-12-17T15:01:34Z2014-10-232014-12-17T15:01:34Z2014-05-09SOUZA FILHO, Pedro Ferreira de. Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas. 2014. 99 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2014.https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15853The need for new sources of energy and the concern about the environment have pushed the search for renewable energy sources such as ethanol. The use of lignocellulosic biomass as substrate appears as an important alternative because of the abundance of this raw material and for it does not compete with food production. However, the process still meets difficulties of implementation, including the cost for production of enzymes that degrade cellulose to fermentable sugars. The aim of this study was to evaluate the behavior of the species of cactus pear Opuntia ficus indica and Nopalea cochenillifera, commonly found in northeastern Brazil, as raw materials for the production of: 1) cellulosic ethanol by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process, using two different strains of Saccharomyces cerevisiae (PE-2 and LNF CA-11), and 2) cellulolytic enzymes by semi-solid state fermentation (SSSF) using the filamentous fungus Penicillium chrysogenum. Before alcoholic fermentation process, the material was conditioned and pretreated by three different strategies: alkaline hydrogen peroxide, alkaline using NaOH and acid using H2SO4 followed by alkaline delignification with NaOH. Analysis of composition, crystallinity and enzymatic digestibility were carried out with the material before and after pretreatment. In addition, scanning electron microscopy images were used to compare qualitatively the material and observe the effects of pretreatments. An experimental design 2² with triplicate at the central point was used to evaluate the influence of temperature (30, 40 and 45 °C) and the initial charge of substrate (3, 4 and 5% cellulose) in the SSF process using the material obtained through the best condition and testing both strains of S. cerevisiae, one of them flocculent (LNF CA-11). For cellulase production, the filamentous fungus P. chrysogenum was tested with N. cochenillifera in the raw condition (without pretreatment) and pretrated hydrothermically, varying the pH of the fermentative medium (3, 5 and 7). The characterization of cactus pear resulted in 31.55% cellulose, 17.12% hemicellulose and 10.25% lignin for N. cochenillifera and 34.86% cellulose, 19.97% hemicellulose and 15.72% lignin for O. ficus indica. It has also been determined, to N. cochenillifera and O. ficus indica, the content of pectin (5.44% and 5.55% of calcium pectate, respectively), extractives (26.90% and 9.69%, respectively) and ashes (5.40% and 5.95%). Pretreatment using alkaline hydrogen peroxide resulted in the best cellulose recovery results (86.16% for N. cochenillifera and 93.59% for O. ficus indica) and delignification (48.79% and 23.84% for N. cochenillifera and O. ficus indica, respectively). This pretreatment was also the only one which did not increase the crystallinity index of the samples, in the case of O. ficus indica. However, when analyzing the enzymatic digestibility of cellulose, alkali pretreatment was the one which showed the best yields and therefore it was chosen for the tests in SSF. The experiments showed higher yield of conversion of cellulose to ethanol by PE-2 strain using the pretreated N. cochenillifera (93.81%) at 40 °C using 4% initial charge of cellulose. N. cochenillifera gave better yields than O. ficus indica and PE-2 strain showed better performance than CA-11. N. cochenillifera proved to be a substrate that can be used in the SSSF for enzymes production, reaching values of 1.00 U/g of CMCase and 0.85 FPU/g. The pretreatment was not effective to increase the enzymatic activity valuesA necessidade de novas fontes de energia e a preocupação com o meio-ambiente têm impulsionado a pesquisa por fontes renováveis de energia, como o etanol. O uso de biomassa lignocelulósica como substrato aparece como uma importante alternativa devido à abundância desta matéria-prima e por não concorrer com a produção de alimentos. Entretanto, o processo ainda encontra dificuldades de implementação, entre elas o custo para produção das enzimas que degradam a celulose em açúcares fermentescíveis. O objetivo deste trabalho foi avaliar o comportamento das espécies de palma forrageira Opuntia ficus indica (gigante) e Nopalea cochenillifera (miúda), comumente encontradas na região Nordeste do Brasil, como matérias-primas para produção de: 1) etanol celulósico pelo processo de sacarificação e fermentação simultâneas (SFS) usando duas cepas diferentes de Saccharomyces cerevisiae (PE-2 e LNF CA-11) e 2) enzimas celulolíticas através da fermentação em estado semissólido (FES) usando o fungo filamentoso Penicillium chrysogenum. Antes do processo de fermentação alcoólica, o material foi condicionado e pré-tratado por três diferentes estratégias: peróxido de hidrogênio alcalino, alcalino usando NaOH e ácido usando H2SO4 seguido de deslignificação alcalina com NaOH. Análises de composição, cristalinidade e digestibilidade enzimática foram feitas com o material antes e depois do pré-tratamento. Adicionalmente, imagens de microscopia eletrônica de varredura foram usadas para comparar qualitativamente o material e observar os efeitos dos pré-tratamentos. Um planejamento fatorial 2² com triplicata no ponto central foi utilizado para avaliar a influência da temperatura (30, 40 e 45 °C) e da carga inicial de substrato (3, 4 e 5% de celulose) no processo SFS, usando o material obtido nas melhores condições de pré-tratamento e testando duas cepas de S. cerevisiae, sendo uma delas floculante (LNF CA-11). Para a produção de celulase, o fungo filamentoso P. chrysogenum foi testado com a espécie de palma N. cochenillifera no estado in-natura (sem pré-tratamento) e submetida a um pré-tratamento hidrotérmico, variando-se o pH do meio fermentativo (3, 5 e 7). A caracterização das palmas forrageiras resultou em 31,55% de celulose, 17,12% de hemicelulose e 10,25% de lignina para a espécie N. cochenillifera e 34,86% de celulose, 19,97% de hemicelulose e 15,72% de lignina para a espécie O. ficus indica. Analisou-se ainda, para as palmas miúda e gigante, o teor de pectina (5,44% e 5,55% de pectato de cálcio, respectivamente), extrativos (26,90% e 9,69%, respectivamente) e cinzas (5,40% e 5,95%). O pré-tratamento usando peróxido de hidrogênio alcalino apresentou os melhores resultados de recuperação de celulose (86,16% para a palma miúda e 93,59% para a palma gigante) e de deslignificação (48,79% e 23,84% para as palmas miúda e gigante, respectivamente). Este pré-tratamento foi também o único a não elevar o índice de cristalinidade das amostras, no caso da palma gigante. Entretanto, quando analisada a digestibilidade enzimática da celulose, o pré-tratamento alcalino foi o que proporcionou os melhores rendimentos e, portanto, este foi o escolhido para os testes de SFS. Os experimentos demonstraram maior rendimento da conversão de celulose em etanol pela cepa PE-2 usando a palma miúda pré-tratada (93,81%) a 40 °C e usando 4% de carga inicial de celulose. A palma miúda demonstrou melhores rendimentos que a gigante e a cepa PE-2 resultou melhor desempenho que a CA-11. A palma miúda se mostrou um substrato possível de ser usado na FES para produção de enzimas, alcançando valores de 1,00 U/g de CMCase e 0,85 FPU/g. O pré-tratamento não se mostrou eficaz para aumentar os valores de atividade enzimáticaCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superiorapplication/pdfporUniversidade Federal do Rio Grande do NortePrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUFRNBRPesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias RegionaisPalma Forrageira. Etanol Celulósico. Sacarificação e Fermentação Simultâneas. Celulase. Fermentação em Estado SemissólidoCactus Pear. Cellulosic Ethanol. Simultaneous Saccharification and Fermentation. Cellulase. Semi-Solid State FermentationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAPalma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticasinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNORIGINALPedroFSF_DISSERT.pdfapplication/pdf2707475https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/15853/1/PedroFSF_DISSERT.pdf2a6ef9226a3d6d607615f74305bb9e07MD51TEXTPedroFSF_DISSERT.pdf.txtPedroFSF_DISSERT.pdf.txtExtracted texttext/plain185404https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/15853/6/PedroFSF_DISSERT.pdf.txt71513ceb3d5e5663e9e8c6ab3e4df0d2MD56THUMBNAILPedroFSF_DISSERT.pdf.jpgPedroFSF_DISSERT.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg4577https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/15853/7/PedroFSF_DISSERT.pdf.jpgf918f965ff0b8d0acb08994d2273d6e8MD57123456789/158532017-11-02 04:46:52.626oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/15853Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/opendoar:2017-11-02T07:46:52Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false
dc.title.por.fl_str_mv Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
title Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
spellingShingle Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
Souza Filho, Pedro Ferreira de
Palma Forrageira. Etanol Celulósico. Sacarificação e Fermentação Simultâneas. Celulase. Fermentação em Estado Semissólido
Cactus Pear. Cellulosic Ethanol. Simultaneous Saccharification and Fermentation. Cellulase. Semi-Solid State Fermentation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
title_short Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
title_full Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
title_fullStr Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
title_full_unstemmed Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
title_sort Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas
author Souza Filho, Pedro Ferreira de
author_facet Souza Filho, Pedro Ferreira de
author_role author
dc.contributor.authorID.por.fl_str_mv
dc.contributor.authorLattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/3140602874903609
dc.contributor.advisorID.por.fl_str_mv
dc.contributor.advisorLattes.por.fl_str_mv http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4788057U7
dc.contributor.referees1.pt_BR.fl_str_mv Almeida, Andréa Farias de
dc.contributor.referees1ID.por.fl_str_mv
dc.contributor.referees1Lattes.por.fl_str_mv http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4762972A4
dc.contributor.referees2.pt_BR.fl_str_mv Oliveira, Jackson Araújo de
dc.contributor.referees2ID.por.fl_str_mv
dc.contributor.referees2Lattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/5058617634570704
dc.contributor.author.fl_str_mv Souza Filho, Pedro Ferreira de
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Macedo, Gorete Ribeiro de
contributor_str_mv Macedo, Gorete Ribeiro de
dc.subject.por.fl_str_mv Palma Forrageira. Etanol Celulósico. Sacarificação e Fermentação Simultâneas. Celulase. Fermentação em Estado Semissólido
topic Palma Forrageira. Etanol Celulósico. Sacarificação e Fermentação Simultâneas. Celulase. Fermentação em Estado Semissólido
Cactus Pear. Cellulosic Ethanol. Simultaneous Saccharification and Fermentation. Cellulase. Semi-Solid State Fermentation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.eng.fl_str_mv Cactus Pear. Cellulosic Ethanol. Simultaneous Saccharification and Fermentation. Cellulase. Semi-Solid State Fermentation
dc.subject.cnpq.fl_str_mv CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
description The need for new sources of energy and the concern about the environment have pushed the search for renewable energy sources such as ethanol. The use of lignocellulosic biomass as substrate appears as an important alternative because of the abundance of this raw material and for it does not compete with food production. However, the process still meets difficulties of implementation, including the cost for production of enzymes that degrade cellulose to fermentable sugars. The aim of this study was to evaluate the behavior of the species of cactus pear Opuntia ficus indica and Nopalea cochenillifera, commonly found in northeastern Brazil, as raw materials for the production of: 1) cellulosic ethanol by simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process, using two different strains of Saccharomyces cerevisiae (PE-2 and LNF CA-11), and 2) cellulolytic enzymes by semi-solid state fermentation (SSSF) using the filamentous fungus Penicillium chrysogenum. Before alcoholic fermentation process, the material was conditioned and pretreated by three different strategies: alkaline hydrogen peroxide, alkaline using NaOH and acid using H2SO4 followed by alkaline delignification with NaOH. Analysis of composition, crystallinity and enzymatic digestibility were carried out with the material before and after pretreatment. In addition, scanning electron microscopy images were used to compare qualitatively the material and observe the effects of pretreatments. An experimental design 2² with triplicate at the central point was used to evaluate the influence of temperature (30, 40 and 45 °C) and the initial charge of substrate (3, 4 and 5% cellulose) in the SSF process using the material obtained through the best condition and testing both strains of S. cerevisiae, one of them flocculent (LNF CA-11). For cellulase production, the filamentous fungus P. chrysogenum was tested with N. cochenillifera in the raw condition (without pretreatment) and pretrated hydrothermically, varying the pH of the fermentative medium (3, 5 and 7). The characterization of cactus pear resulted in 31.55% cellulose, 17.12% hemicellulose and 10.25% lignin for N. cochenillifera and 34.86% cellulose, 19.97% hemicellulose and 15.72% lignin for O. ficus indica. It has also been determined, to N. cochenillifera and O. ficus indica, the content of pectin (5.44% and 5.55% of calcium pectate, respectively), extractives (26.90% and 9.69%, respectively) and ashes (5.40% and 5.95%). Pretreatment using alkaline hydrogen peroxide resulted in the best cellulose recovery results (86.16% for N. cochenillifera and 93.59% for O. ficus indica) and delignification (48.79% and 23.84% for N. cochenillifera and O. ficus indica, respectively). This pretreatment was also the only one which did not increase the crystallinity index of the samples, in the case of O. ficus indica. However, when analyzing the enzymatic digestibility of cellulose, alkali pretreatment was the one which showed the best yields and therefore it was chosen for the tests in SSF. The experiments showed higher yield of conversion of cellulose to ethanol by PE-2 strain using the pretreated N. cochenillifera (93.81%) at 40 °C using 4% initial charge of cellulose. N. cochenillifera gave better yields than O. ficus indica and PE-2 strain showed better performance than CA-11. N. cochenillifera proved to be a substrate that can be used in the SSSF for enzymes production, reaching values of 1.00 U/g of CMCase and 0.85 FPU/g. The pretreatment was not effective to increase the enzymatic activity values
publishDate 2014
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2014-12-17T15:01:34Z
dc.date.available.fl_str_mv 2014-10-23
2014-12-17T15:01:34Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2014-05-09
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv SOUZA FILHO, Pedro Ferreira de. Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas. 2014. 99 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2014.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15853
identifier_str_mv SOUZA FILHO, Pedro Ferreira de. Palma forrageira (Opuntia ficus indica e Nopalea cochenillifera) como matéria-prima para produção de etanol celulósico e enzimas celulolíticas. 2014. 99 f. Dissertação (Mestrado em Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2014.
url https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/15853
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal do Rio Grande do Norte
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFRN
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
dc.publisher.department.fl_str_mv Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Regionais
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal do Rio Grande do Norte
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFRN
instname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)
instacron:UFRN
instname_str Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)
instacron_str UFRN
institution UFRN
reponame_str Repositório Institucional da UFRN
collection Repositório Institucional da UFRN
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/15853/1/PedroFSF_DISSERT.pdf
https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/15853/6/PedroFSF_DISSERT.pdf.txt
https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/15853/7/PedroFSF_DISSERT.pdf.jpg
bitstream.checksum.fl_str_mv 2a6ef9226a3d6d607615f74305bb9e07
71513ceb3d5e5663e9e8c6ab3e4df0d2
f918f965ff0b8d0acb08994d2273d6e8
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1797777664449183744