Produção e aplicação de agregados enzimáticos reticulados e magnéticos (CLEAs e mCLEAs) usando coquetéis celulolíticos comerciais para hidrólise de fibra de coco verde
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58997 |
Resumo: | Enzymes are responsible for catalyzing important reactions in biotechnological processes. However, its industrial viability requires easy handling, reuse and operational stability, which can be achieved through immobilization techniques. Among them, the strategy of cross-linked enzyme aggregates (CLEAs) stands out, as it allows direct and efficient contact between the enzyme and the substrate, as it eliminates the need for conventional solid supports. Furthermore, the use of non-porous supports, such as magnetic nanoparticles, in the formation of magnetic CLEAs (mCLEAs) can optimize the immobilization process. This is particularly advantageous when applied to industrial enzymes, such as cellulolytic cocktails, which consist of cellulases capable of hydrolyzing cellulose to produce glucose, a valuable precursor for the manufacture of ethanol. In this framework, green coconut fiber is considered, a lignocellulosic residue generated on a large scale after the consumption of coconut water, which represents around 70% of the total fruit. The use of CLEAs and mCLEAs could efficiently transform this biomass into glucose, demonstrating a significant practical application of this technology in the use of waste and the production of biofuels. This work aimed to produce CLEAs and mCLEAs from commercial cellulolytic cocktails (Celluclast 1.5L and Cellic CTec 2) for the hydrolysis of pretreated green coconut fiber, transforming a common waste into glucose, a value-added product. Initially, different precipitation solutions were evaluated, such as ethanol, acetone and ammonium sulfate, using glutaraldehyde and magnetic nanoparticles covered with aminopropyltriethoxysilane for the production of biocatalysts. The addition of bovine serum albumin (BSA) protein was also tested to improve immobilization. The biocatalysts showed better performance with ethanol and acetone, especially those with acetone and BSA, which achieved the best enzymatic activities (287.27 ± 42.59 U/g for CMCase and 0.00 ± 0.00 U/g for FPase with Celluclast 1.5L) and (425.37 ± 48.11 U/g for CMCase and 1.54 ± 1.10 U/g for FPase with Cellic CTec 2). To expand industrial applicability, magnetic nanoparticles were incorporated in the precipitation stage, producing mCLEAs with excellent thermal stability and high catalytic activities. Notably, the 5% mCLEA-Celluclast-AC-BSA-GA biocatalyst showed activity of 149.65 ± 2.65 U/g for CMCase and 5.30 ± 1.75 U/g for FPase, and maintained 58% of its activity after 72 hours at 70 ºC. The mCLEA-Celluclast-AC-BSA-GA 2.5% biocatalyst proved to be effective in the hydrolysis of coconut fiber and isolated cellulose, producing up to 9.60 ± 0.57 g/L of glucose. Based on the data presented, CLEAs appear to be an alternative for the efficient use of cellulases in the 2G ethanol chain. |
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Produção e aplicação de agregados enzimáticos reticulados e magnéticos (CLEAs e mCLEAs) usando coquetéis celulolíticos comerciais para hidrólise de fibra de coco verdeImobilizaçãoCLEAsCoquetéis celulolíticosCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAEnzymes are responsible for catalyzing important reactions in biotechnological processes. However, its industrial viability requires easy handling, reuse and operational stability, which can be achieved through immobilization techniques. Among them, the strategy of cross-linked enzyme aggregates (CLEAs) stands out, as it allows direct and efficient contact between the enzyme and the substrate, as it eliminates the need for conventional solid supports. Furthermore, the use of non-porous supports, such as magnetic nanoparticles, in the formation of magnetic CLEAs (mCLEAs) can optimize the immobilization process. This is particularly advantageous when applied to industrial enzymes, such as cellulolytic cocktails, which consist of cellulases capable of hydrolyzing cellulose to produce glucose, a valuable precursor for the manufacture of ethanol. In this framework, green coconut fiber is considered, a lignocellulosic residue generated on a large scale after the consumption of coconut water, which represents around 70% of the total fruit. The use of CLEAs and mCLEAs could efficiently transform this biomass into glucose, demonstrating a significant practical application of this technology in the use of waste and the production of biofuels. This work aimed to produce CLEAs and mCLEAs from commercial cellulolytic cocktails (Celluclast 1.5L and Cellic CTec 2) for the hydrolysis of pretreated green coconut fiber, transforming a common waste into glucose, a value-added product. Initially, different precipitation solutions were evaluated, such as ethanol, acetone and ammonium sulfate, using glutaraldehyde and magnetic nanoparticles covered with aminopropyltriethoxysilane for the production of biocatalysts. The addition of bovine serum albumin (BSA) protein was also tested to improve immobilization. The biocatalysts showed better performance with ethanol and acetone, especially those with acetone and BSA, which achieved the best enzymatic activities (287.27 ± 42.59 U/g for CMCase and 0.00 ± 0.00 U/g for FPase with Celluclast 1.5L) and (425.37 ± 48.11 U/g for CMCase and 1.54 ± 1.10 U/g for FPase with Cellic CTec 2). To expand industrial applicability, magnetic nanoparticles were incorporated in the precipitation stage, producing mCLEAs with excellent thermal stability and high catalytic activities. Notably, the 5% mCLEA-Celluclast-AC-BSA-GA biocatalyst showed activity of 149.65 ± 2.65 U/g for CMCase and 5.30 ± 1.75 U/g for FPase, and maintained 58% of its activity after 72 hours at 70 ºC. The mCLEA-Celluclast-AC-BSA-GA 2.5% biocatalyst proved to be effective in the hydrolysis of coconut fiber and isolated cellulose, producing up to 9.60 ± 0.57 g/L of glucose. Based on the data presented, CLEAs appear to be an alternative for the efficient use of cellulases in the 2G ethanol chain.Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESAs enzimas são responsáveis pela catálise de reações importantes em processos biotecnológicos. No entanto, sua viabilidade industrial exige fácil manuseio, reutilização e estabilidade operacional, o que pode ser alcançado através de técnicas de imobilização. Entre elas, a estratégia dos agregados enzimáticos reticulados (CLEAs) se destaca, pois permite um contato direto e eficiente da enzima com o substrato, uma vez que elimina a necessidade de suportes sólidos convencionais. Além disso, o uso de suportes não porosos, como nanopartículas magnéticas, na formação de CLEAs magnéticos (mCLEAs) pode otimizar o processo de imobilização. Isso é particularmente vantajoso quando aplicado a enzimas industriais, como os coquetéis celulolíticos, que consistem em celulases capazes de hidrolisar celulose para produzir glicose, um precursor valioso para a fabricação de etanol. Neste quadro, considera-se a fibra de coco verde, um resíduo lignocelulósico gerado em grande escala após o consumo da água de coco, que representa cerca de 70% do total do fruto. A utilização de CLEAs e mCLEAs poderia transformar eficientemente esta biomassa em glicose, demonstrando uma aplicação prática significativa desta tecnologia no aproveitamento de resíduos e na produção de biocombustíveis. Este trabalho visou a produção de CLEAs e mCLEAs a partir de coquetéis celulolíticos comerciais (Celluclast 1.5L e Cellic CTec 2) para a hidrólise da fibra de coco verde pré-tratada, transformando um resíduo comum em glicose, um produto de valor agregado. Inicialmente, avaliou-se diferentes soluções de precipitação, como etanol, acetona e sulfato de amônio, utilizando glutaraldeído e nanopartículas magnéticas recobertas com aminopropiltrietoxisilano para a produção dos biocatalisadores. A adição da proteína albumina sérica bovina (BSA) também foi testada para melhorar a imobilização. Os biocatalisadores mostraram melhor rendimento com o etanol e acetona, destacando-se especialmente aqueles com acetona e BSA, que alcançaram as melhores atividades enzimáticas (287,27 ± 42,59 U/g para CMCase e 0,00 ± 0,00 U/g para FPase com o Celluclast 1.5L) e (425,37 ± 48,11 U/g para CMCase e 1,54 ± 1,10 U/g para FPase com o Cellic CTec 2). Para ampliar a aplicabilidade industrial, incorporaram-se nanopartículas magnéticas na etapa de precipitação, produzindo mCLEAs com excelente estabilidade térmica e atividades catalíticas elevadas. Notavelmente, o biocatalisador mCLEA-Celluclast-AC-BSA-GA 5 % mostrou atividade de 149,65 ± 2,65 U/g para CMCase e 5,30 ± 1,75 U/g para FPase, e manteve 58 % da sua atividade após 72 horas a 70 ºC. O biocatalisador mCLEA-Celluclast-AC-BSA-GA 2,5 % provou ser eficaz na hidrólise da fibra de coco e da celulose isolada, produzindo até 9,60 ± 0,57 g/L de glicose. A partir dos dados expostos, os CLEAs se mostram como uma alternativa para o uso eficiente de celulases na cadeia de etanol 2G.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICASantos, Everaldo Silvino doshttp://lattes.cnpq.br/6908155610276156https://orcid.org/0000-0001-7384-1140http://lattes.cnpq.br/4330639792072559Rios, Nathalia Saraivahttps://orcid.org/0000-0002-5104-1123http://lattes.cnpq.br/1800467263737484Padilha, Carlos Eduardo de AraújoGonçalves, Luciana Rocha BarrosBezerra, Petrúcia Karine Santos de BritoMorais, Jéssica Renaly Fernandes2024-08-05T23:12:07Z2024-08-05T23:12:07Z2024-05-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfMORAIS, Jéssica Renaly Fernandes. Produção e aplicação de agregados enzimáticos reticulados e magnéticos (CLEAs e mCLEAs) usando coquetéis celulolíticos comerciais para hidrólise de fibra de coco verde. Orientador: Dr. Everaldo Silvino dos Santos. 2024. 89f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58997info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2024-08-05T23:12:46Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/58997Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2024-08-05T23:12:46Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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