Publication: Influência de campo magnético alternado em celulases imobilizadas em nanopartículas magnéticas: aplicação na hidrólise de bagaço de cana
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Date
Authors
Advisor
Marques, Rodrigo Fernando Costa 
Coadvisor
Graduate program
Química - IQAR 33004030072P8
Undergraduate course
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Type
Doctoral dissertation
Access right
Acesso aberto
Abstract
Abstract (portuguese)
A biomassa lignocelulósica é um material heterogêneo composto por lignina, hemicelulose e celulose. A capacidade da celulase de converter os componentes da celulose em açúcares fermentáveis para a produção de etanol e moléculas de valor agregado, dependem do acesso do biocatalisador ao substrato, protegido pela lignina. Neste trabalho, o complexo de celulases comercial CELLIC-CTEC2 foi imobilizado em nanopartículas magnéticas e avaliada a influência de campo magnético alternado na difusão de massa e conversão de hemicelulose e celulose durante a hidrólise de bagaço de cana pré-tratado. As amostras de nanopartículas magnéticas (Fe3O4), nanopartículas magnéticas funcionalizadas (Fe3O4-APTS) e o complexo enzimático CELLIC-CTEC 2 imobilizado em nanopartículas magnéticas (Fe3O4-CEL) apresentaram tamanho de cristalito de 10 nm, respectivamente. Os diâmetros hidrodinâmicos foram avaliados por espalhamento de luz, obtendo valores de índice de polidispersão maiores que 0,1, indicando que Fe3O4, Fe3O4-APTS e Fe3O4-CEL são constituídas por nanopartículas com alta dispersão de tamanhos. A adição de APTS ao suporte leva a uma melhor organização na distribuição de tamanhos. A amostra de Fe3O4-CEL apresentou diâmetro hidrodinâmico de 1335 nm, devido a ligação de celulases na superfície de nanopartículas. A curva de titulação das amostras de Fe3O4, Fe3O4-APTS e Fe3O4-CEL apresentaram ponto isoelétrico (PI) em pH 5,84, 6,38 e 2,61 respectivamente. A diminuição de PI para 2,61 ocorreu devido a presença do complexo enzimático que possui grupos funcionais ácidos e básicos. Pela análise térmica (TG-DTG) houve aumento na estabilidade térmica da enzima, após o processo de imobilização. Os espectros de absorção na região do infravermelho foram obtidos para confirmar as modificações de superfície. As amostras de Fe3O4, Fe3O4-APTS e Fe3O4-CEL apresentaram bandas em 580 cm-1 e 630 cm-1, relacionadas à vibração Fe-O de magnetita e maghemita, respectivamente. A banda do espectro de Fe3O4-APTS em 1162 cm-1 está relacionada com a vibração de grupos amina. No espectro de Fe3O4-CEL foram observadas bandas de deformação de grupos amida do complexo enzimático de celulases. Nos resultados do cromatograma verificou-se a presença de ácido glicurônico. As reações de hidrólise de bagaço com a utilização de Fe3O4-CEL, podem operar em meio alcalino sendo possível utilizar pré-tratamento básico no processo de deslignificação com menos etapas de lavagem. A enzima imobilizada apresentou temperatura ótima em torno de 60ºC, o processo pode ter sua temperatura diminuída na presença de biocatalisador magnético o que resultaria em grande economia de energia no processo de hidrólise. Os valores de conversão de hidrólise CEL e Fe3O4-CEL foram avaliados e apresentaram valores muito baixos, a conversão de hemicelulose para o derivado imobilizado apresentou valor de 18,46 % após 48 horas de hidrólise. Após 8 ciclos catalíticos o biocatalisador magnético apresentou 30 % da atividade inicial. A conversão de hemicelulose e celulose foi avaliada sob influência de AMF na frequência de 112 Hz e campo magnético de 25 mT. As amostras livre e imobilizada apresentaram baixa conversão de hemicelulose e celulose devido ao tempo de reação de hidrólise baixo.
Abstract (english)
Lignocellulosic biomass is a heterogeneous material composed of lignin, hemicellulose and cellulose. The ability of cellulase to convert cellulose components into fermentable sugars to produce ethanol and value-added molecules depends on the access of the biocatalyst to the substrate, protected by lignin. In this work, the commercial cellulases complex CELLIC-CTEC2 was immobilized on magnetic nanoparticles and the influence of alternating magnetic field on mass diffusion and conversion of hemicellulose and cellulose during hydrolysis of pretreated sugarcane bagasse was evaluated. Samples of magnetic nanoparticles (Fe3O4), functionalized magnetic nanoparticles (Fe3O4-APTS) and the enzymatic complex CELLIC-CTEC 2 immobilized on magnetic nanoparticles (Fe3O4-CEL) had a crystallite size of 10 nm, respectively. The hydrodynamic diameters were evaluated by light scattering, obtaining polydispersion index values greater than 0.1, indicating that Fe3O4, Fe3O4- APTS and Fe3O4-CEL are constituted by nanoparticles with high size dispersion. Adding APTS to support leads to better organization in size distribution. The Fe3O4- CEL sample had a hydrodynamic diameter of 1335 nm, due to the binding of cellulases on the surface of nanoparticles. The titration curve of the Fe3O4, Fe3O4-APTS and Fe3O4-CEL samples showed isoelectric point (PI) at pH 5.84, 6.38 and 2.61 respectively. The decrease in PI to 2.61 was due to the presence of the enzyme complex that has acidic and basic functional groups. By thermal analysis (TG-DTG) there was an increase in the thermal stability of the enzyme after the immobilization process. Infrared absorption spectra were obtained to confirm the surface modifications. The Fe3O4, Fe3O4-APTS and Fe3O4-CEL samples showed bands at 580 cm-1 and 630 cm-1 , related to the Fe-O vibration of magnetite and maghemite, respectively. The Fe3O4-APTS spectrum band at 1162 cm-1 is related to the vibration of amine groups. In the Fe3O4-CEL spectrum, bands of deformation of amide groups of the cellulase enzyme complex were observed. The chromatogram results showed the presence of glucuronic acid. The bagasse hydrolysis reactions with the use of Fe3O4-CEL can operate in an alkaline medium and it is possible to use basic pretreatment in the delignification process with fewer washing steps. The immobilized enzyme had an optimal temperature around 60ºC, the process can have its temperature decreased in the presence of magnetic biocatalyst, which would result in great energy savings in the hydrolysis process. The CEL and Fe3O4-CEL hydrolysis conversion values were evaluated and showed very low values, the conversion of hemicellulose to the immobilized derivative showed a value of 18.46% after 48 hours of hydrolysis. After 8 catalytic cycles the magnetic biocatalyst showed 30% of the initial activity. The conversion of hemicellulose and cellulose was evaluated under the influence of AMF at a frequency of 112 Hz and a magnetic field of 25 mT. Free and immobilized samples showed low conversion of hemicellulose and cellulose due to the low hydrolysis reaction time.
Description
Keywords
Separação magnética, Imobilização de celulases, Biocatálise, Nanoparticulas magnéticas
Language
Portuguese
