Produção on-site e aplicação de complexo enzimático (hemi)celulolítico utilizando resíduo de palma oleaginosa

Abstract

Resumo: O reaproveitamento de resíduos agroindustriais tem sido profundamente estudado à medida que se percebe que estes são uma matéria-prima correntemente desperdiçada e sua utilização para a produção de biomoléculas a partir de processos fermentativos é um viés sustentável e que pode e deve ser viabilizado. Enzimas hemicelulolíticas e celulolíticas possuem aplicações diversas em várias indústrias e têm recebido bastante atenção graças ao seu potencial de aplicabilidade na produção de biocombustíveis de segunda geração. Este trabalho teve como objetivo produzir, e recuperar celulases e hemicelulases utilizando os cachos vazios dos frutos de palma oleaginosa (EFB), para posterior aplicação na produção de açúcares fermentescíveis para produção de bioetanol. Foi possível selecionar linhagens de fungos filamentosos produtores de complexos enzimáticos compostos de celulases e hemicelulases. Foram obtidas atividades expressivas de FPase (4,0 +- 0,29 U/mL), endoglucanase (23,2 +- 1,1 U/mL) e xilanase (169,1 +- 0,4 U/mL), bem como também foi possível detectar atividade de mananases (0,52 +- 0,05 U/mL). Dentre elas, uma linhagem de Aspergillus sp. com capacidade de produção de todas as enzimas desejadas se destacou. O meio de produção foi otimizado em termos de fontes de carbono e nitrogênio, e suplementação mineral. A otimização levou a um modelo estatisticamente significativo para o processo fermentativo com R2 de 0,92. O tempo de produção também foi avaliado, sendo a melhor produtividade obtida em cinco dias de fermentação para FPase, CMCase e xilanase. O processo foi reproduzido eficientemente em reatores de colunas de bolhas em escala de bancada. O meio otimizado aplicado em biorreatores para o Aspergillus sp. levou à obtenção de atividades de 9,9 +- 0,1 U/mL de FPase, 29,0 +- 0,1 U/mL de endoglucanases e 73,3 +- 0,1 U/mL de xilanase. Foi avaliada a influência da aeração sobre a produção das enzimas em biorreatores tipo coluna de bolhas e características do caldo fermentado, em que 1,5 vvm mostrou-se a melhor condição para a produção das enzimas. Foi realizada, através de micro e ultrafiltrações, a recuperação das enzimas de interesse, bem como sua concentração. Também foi avaliada a utilização de aditivos químicos para estabilização das enzimas, dentre os quais o ácido benzoico e o sorbitol mostraram-se mais promissores para manutenção da atividade enzimática após 15 dias de exposição a condições de estresse térmico. Em testes de estabilidade a longo prazo, o produto formulado manteve 100% da atividade de FPase, CMCase e mananase e 73% da atividade de xilanase em 60 dias de armazenamento sob refrigeração. O complexo enzimático mostrou-se promissor para aplicação na hidrólise do EFB a açúcares fermentescíveis. Foi possível estabelecer um bioprocesso para a produção e aplicação on-site das enzimas lignocelulolíticas.

Abstract: Reusing agroindustry residues has been profoundly studied as it is perceived that they are useful feedstocks usually wasted. Their use for bioproducts development through fermentative processes is a sustainable bias that can be and must be feasible. Hemicellulolytic and cellulolytic enzymes are applied on several industry fields and they are receiving even more attention due to their potential on second generation biofuels production. This study aimed to produce and recover cellulases and hemicellulases from oil palm empty fruit bunches for further application on lignocellulose conversion to fermentable sugars for biofuel production. It was possible to select fungal strains capable of producing (hemi)cellulolytic complexes. Activity values of 4.0 +- 0.29 U/mL for FPase, 23.2 +- 1.1 U/mL for CMCase, 169.1 +- 0.4 U/mL for xylanase and 0.52 +- 0.05 U/mL for mannanase were detected too. An Aspergillus sp. strain produced all the enzymes of the complex and so it was selected for enzyme production. The fermentation media was optimized in terms of carbon and nitrogen sources, as well as mineral supplementation. The optimization led to a statistically significant model, with R2 = 0,92. Production time was studied, reaching best productivities within 5 days fermentation for FPase, CMCase and xylanase. Process was efficiently reproduced to bubble column bioreactors in lab scale. Optimized medium in bioreactors led to activities of 9.9 +- 0.1 U/mL for FPase, 29.0 +- 0.1 U/mL for CMCase and 73.3 +- 0.1 U/mL for xylanase. Aeration influence was also studied over enzyme production in bubble column reactor and fermented broth characteristics, in which it was found that 1.5 vvm provided the best condition for enzyme production. The enzymes were recovered and concentrated through micro and ultrafiltration. The use of chemical additives was also studied, from which it was possible to choose benzoic acid and sorbitol presented better results of enzymatic activity maintaining after 15 days of thermal stress exposure. Concerning to long-term stability, the formulated maintained 100% of FPase, CMCase, and mannanase activities, and 63% of xylanase activity after 60 days of storage under refrigeration. The enzymatic product with additives maintained 100% of FPase, CMCase and mannanase activities and 73% of xylanase activity after 60 days of storage under refrigerated conditions. The enzymatic complex is promising for EFB hydrolysis to fermentable sugars. It was possible to develop a bioprocess for on-site production and application of lignocellulolytic enzymes.