Development of bioprocess for fibrolytic fungal enzymes production from lignocellulosic residues and its application on kraft pulp biobleaching and xylooligosaccharides production - Campioni, Tania Sila [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2018)
Desejando ao final do trabalho obter um bioprocesso integrado usando palha de cana-de-açúcar (PC), este trabalho teve início com a utilização desse substrato para produção de enzimas fribrolíticas, xilanases e celulases, em culturas axênicas, incluindo espécies de Trichoderma e Aspergillus. A triagem para o melhor produtor foi realizada em “shaker” em fermentação submersa. A cultura do fungo T. reesei QM9414 alcançou a melhor produção de enzimas, e em tanque agitado, utilizando um biorreator de 3 L, mostrou o mesmo perfil de produção (~90 U/mL, 0.6 FPU/mL para xilanase e celulases, respectivamente). Em relação a este resultado, a produção de enzimas para as misturas binárias e ternárias destes fungos foi menor, sendo que a melhor combinação, T. reesei QM 9414+A. fumigatus M51, alcançou 60 U/mL e 0.08 FPU/mL respectivamente. Com intuito de otimizar a produção de enzimas utilizando um mix de substratos: palha de cana, como principal componente, e o farelo de trigo e a polpa cítrica, como supostos indutores de atividade enzimática, foi realizado um delineamento de misturas do tipo D-optimal. O resultado da otimização da mistura dos substratos mostrou que o trigo e a polpa cítrica não tiveram um efeito indutivo na produção das enzimas tendo a palha de cana como principal substrato. A enzima xilanase foi caracterizada em seu pH e temperatura ótimos (pH 5, e 50 ºC respectivamente), bem como a estabilidade da enzima nestes parâmetros. Alguns íons e EDTA foram aplicados para determinar a estabilidade da enzima nessas condições, sendo o melhor indutor o Mn2+ com 49% de aumento de atividade (10 mM). O extrato contendo xilanases, produzido nas condições previamente otimizadas foi aplicado no biobranqueamento da polpa Kraft. A otimização da biobranqueamento mostrou uma diminuição do índice Kappa, 12.5% (30 U/g e 30 min), bem como houve a liberação de açúcares e compostos cromóforos. Este tratamento na polpa foi responsável por diminuir em 10% a quantidade de dióxido de cloro utilizado no branqueamento químico, uma vez que sua alvura foi a mesma que o controle sem tratamento enzimático. A xilana presente na PC foi extraída com NaOH por meio de tratamento termo-químico. Após este processo a xilana foi hidrolisada, para a produção de xiloligossacarídeos (XOS) por duas diferentes rotas, com enzimas (utilizando o extrato contendo xilanases), e com ácido fosfórico (95 ºC e 120 ºC). Os melhores ensaios que produziram XOS nas duas rotas não apresentaram diferença significativa, 5.34 e 5.94 g/L correspondendo a 16 e 17.45% de rendimento em XOS. A produção de XOS por via enzimática não formou furfural, entretanto, a hidrólise ácida de XOS é uma alternativa mais rápida. XOS e xilose foram produzidos por meio da hidrólise enzimática da xilana, foram assimilados por bactérias probióticas e por uma levedura produtora de xilanase e celulase. Assim, os resultados mostram que a PC pode ser usada em bioprocessos utilizando microrganismos especiais, visando a produção de enzimas, açúcares fermentecíveis, aproveitamento de resíduos e produção de moléculas nobres tais como o XOS, dentro de um conceito moderno de biorrefinaria desde que outros componentes presentes na PC possam ser utilizados em outros bioprocessos, como produção de bioenergia.

In order to obtain an integrated bioprocess using Sugarcane Straw (SS), this work began with the use of this substrate for the fibrolytic enzymes production, xylanases and cellulases, in axenic fungal cultures, including Trichoderma and Aspergillus species. The screening for the best producer was performed in shaker under submerged fermentation. The T. reesei QM9414 culture achieved the best enzyme production, and in a stirred tank using a 3 L bioreactor showed the same production profile (~90 U/mL and 0.6 FPU/mL for xylanase and cellulase, respectively). Regarding this result, the enzyme production by binary and ternary mixtures of these fungi was lower, as example the best combination T. reesei QM 9414+A. fumigatus M51, reached 60 U/mL and 0.08 FPU/mL, respectively. Aiming optimize the enzyme production by a mix of substrates using SS as the main substrate, and wheat bran and citrus pulp as supposed enzyme inductors, a D-optimal mixture design was performed. The mixture substrates optimization showed that wheat bran and citrus pulp did not have an inductive effect on the enzymes production. The enzyme xylanase was characterized by its optimal pH and temperature (pH 5 and 50 ºC, respectively, as well as the stability of the enzyme in these parameters. Some ions and EDTA were applied to determine the xylanase stability under these conditions, and the ion Mn2+ was the best inductor, 49% (10 mM). The extract containing xylanases, produced under previous optimized conditions was applied in the Kraft pulp biobleaching. The biobleaching optimization showed a decrease in the Kappa number, 12.5% (30 U/g e 30 min), as well as well as the release of sugars and the presence of chromophores compounds were also observed. This treatment performed in the pulp was responsible the decrease in 10% the chlorine dioxide amount used in the chemical bleaching, since its brightness was the same found in the sample that have no enzymatic treatment. The xylan present in the SS was extracted with NaOH by thermo-chemical treatment. After this, the xylan was hydrolyzed, for the production of xylooligosaccharides (XOS), by two different routes, enzymatic (using the crude extract produced) and acid (95 ºC and 120 ºC). The best tests that produced XOS in both routes did not present significant difference, 5.34 and 5.94 g/L corresponding to 16 e 17.45% of XOS yield. The enzymatic XOS production did not produce furfural, but the acid route is a faster alternative. As products of xylan enzymatic hydrolysis, XOS and xylose, were assimilated by probiotic bacteria and a fibrolytic yeast. Thus, the results showed that SS can be used in bioprocesses using special microorganisms, aiming the production of enzymes, fermentable sugars, waste utilization and noble molecules production, such as XOS in a modern biorefinery concept since other components of the PC can be used in other bioprocesses, such as bioenergy production.
Desenvolvimento de bioprocesso para produção de enzimas fibrolíticas fúngicas a partir de resíduos lignocelulósicos e suas aplicações no biobranqueamento da polpa kraft e produção de xilooligossacarídeos
Keywords: Palha de cana-de-açúcar; Enzimas fibrolíticas; Biobranqueamento; Produção de XOS; Biorrefinaria; Sugarcane straw; Fibrolytic enzymes; Biobleaching; XOS production; Biorefinery