Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Luuk van der Wielen, Solange Inês Mussatto e Marcel Ottens

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química e Delft University of Technology

Resumo: Almejando melhorar a utilização de resíduos lignocelulósicos na indústria de processamento do etanol, este trabalho visa testar se a inibição por produto da hidrólise enzimática pode ser aliviada através de reação extrativa usando sistemas aquosos bifásicos (ATPS). A performance da hidrólise...

Resumo: Almejando melhorar a utilização de resíduos lignocelulósicos na indústria de processamento do etanol, este trabalho visa testar se a inibição por produto da hidrólise enzimática pode ser aliviada através de reação extrativa usando sistemas aquosos bifásicos (ATPS). A performance da hidrólise enzimática em ATPS não está bem definida na literatura. Nesta tese, a reação extrativa foi testada em termos de conversão experimental do bagaço de cana-de-açúcar, simulações através de design conceitual de processo e viabilidade econômica. O modelo termodinâmico foi desenvolvido para predizer a formação de ATPS. A triagem de ATPS e coeficiente de partição dos solutos foram conduzidos em uma estação de high throughput (HTP). Os ATPS foram compostos por polímero e sal. As enzimas foram representadas pelo coquetel enzimático Cellic CTec (Novozymes). O desenvolvimento desta plataforma consistiu de duas principais partes: determinação do diagrama de fases (curvas binodais e tie lines) e quantificação do soluto (açúcar e proteínas) nas fases de topo e de fundo. O ATPS mais promissor foi experimentalmente explorado para a hidrólise enzimática do bagaço de cana-de-açúcar. O design do processo simulou dois cenários: hidrólise ocorrendo na fase de topo e na fase de fundo. Tópicos como adsorção dos componentes formadores de fase às fibras do bagaço e a influência da carga enzimática na hidrólise foram explorados. A hidrólise do bagaço em ATPS foi conceitualmente avaliada através da implementação de um modelo composto de duas partes: hidrólise e separação multi-batelada em ATPS. O modelo projetado para a hidrólise em ATPS foi comparado com o modelo base definido como hidrólise convencional. Considerando a modelagem termodinâmica do ATPS, foi avaliada a aplicação do modelo de Flory-Huggins (FH) para predizer a separação de fases em sistemas polímero-sal. A implementação e análise da teoria de FH envolveu a estimação da energia de interação (w_ij) e o cálculo do diagrama de fases. Não houve diferenças significativas na determinação do diagrama de fases nas plataformas HTP e escala de bancada, verificando a confiabilidade dos métodos e equipamento sugeridos neste trabalho. Além disso, abordagens personalizadas para quantificar os solutos foram apresentadas, levando em consideração as limitações das técnicas que poderiam ser aplicadas em ATPS devido à interferências dos componentes de fases com os analíticos. Esta metodologia rápida propõe a estudar até seis diferentes sistemas polímero-sal em oito dias e fornecer os resultados para entender a influência das concentrações de açúcar e proteína nos coeficientes de partição. A exploração experimental da hidrólise em ATPS forneceu estratégias de como conduzir a hidrólise enzimática extrativa em ATPS e de como explorar os resultados experimentais a fim de projetar um processo factível. No design conceitual da hidrólise enzimática extrativa, um dos maiores gargalos identificados foi a partição da glicose para ambas as fases. O design do processo resultante deste trabalho opera como uma ferramenta para avaliar hidrólise em ATPS e compará-la com a hidrólise convencional. Por outro lado, o modelo termodinâmico não pode descrever quantitativamente os dados. Isso ocorre principalmente por causa da forte influência dos erros experimentais randômicos na estimação da energia de interação, erros sistemáticos ao converter dados observados para concentrações de partição calculadas, e FH não ser uma descrição exata da separação de fases em ATPS formados por sais. A metodologia de triagem high throughput indicou ATPS capazes de particionar açúcar e enzimas. O ATPS selecionado não apresentou melhorias significativas em conduzir a conversão enzimática do bagaço de cana-de-açúcar em comparação à hidrólise convencional. As principais causas foram a influência dos componentes formadores de fases na atividade enzimática e a baixa seletividade dos açúcares em ATPS. Para revelar a aplicação de ATPS na indústria do processamento do etanol, a recuperação e reuso dos componentes formadores de fases são imperativos para a viabilidade econômica. Além disso, a plataforma HTP desenvolvida pode ser futuramente empregada para filtrar exaustivamente sistemas para projetar ATPS efetivos à partição de açúcares e proteínas em sistemas polímero-sal

Abstract: Targeting to improve the utilization of lignocellulosic residues in the ethanol processing industry, this work aimed to test if the product inhibition of the enzymatic hydrolysis could be relieved by extractive reaction using aqueous two-phase systems (ATPS). The performance of enzymatic...

Abstract: Targeting to improve the utilization of lignocellulosic residues in the ethanol processing industry, this work aimed to test if the product inhibition of the enzymatic hydrolysis could be relieved by extractive reaction using aqueous two-phase systems (ATPS). The performance of enzymatic hydrolysis in ATPS is not well defined in literature. In this thesis, this extractive reaction was tested in terms of experimental conversion of sugarcane bagasse, simulations through conceptual process design and economic feasibility. A thermodynamic framework was developed in order to predict ATPS formation. The screening of ATPS and partition coefficient of the solutes were performed in a high throughput station. The ATPS were composed by polymer and salt. The enzymes were represented by the enzymatic cocktail Cellic CTec (Novozymes). The development of this platform consisted of two main parts: determination of phase diagrams (binodal curves and tie lines) and quantification of the solutes (sugar and proteins) in both top and bottom phases. The most promising ATPS were experimentally explored for enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. Process design simulated two scenarios: hydrolysis occurring in the bottom phase and in the top phase. Topics such as the adsorption of phase forming components to the bagasse fibers and the influence of enzyme load on the hydrolysis were explored. The sugarcane bagasse hydrolysis in ATPS was conceptually assessed through the implementation of a model composed by two parts: hydrolysis and ATPS multi-batch separation. The designed case characterized by the ATPS hydrolysis was compared to the base case defined as conventional hydrolysis. Regarding the thermodynamic modelling of ATPS, the application of Flory-Huggins (FH) model to predict phase separation in polymer-salt systems was assessed. The implementation and analysis of FH theory involved the estimation of interchange energy (w_ij) and the calculation of phase diagrams. There were no statistical differences in determining the phase diagram in HTP platforms and bench-scale, verifying the reliability of methods and equipment suggested in this work. Moreover, tailored approaches to quantify the solutes were presented, taking into account the limitations of techniques that can be applied with ATPS due to the interference of phase forming components with the analytics. This fast methodology proposes to screen up to six different polymer-salt systems in eight days and supplies the results to understand the influence of sugar and protein concentrations on their partition coefficients. Exploring experimentally the ATPS hydrolysis provided strategies on how to conduct extractive enzymatic hydrolysis in ATPS and how to explore the experimental results in order to design a feasible process. In the conceptual design of extractive enzymatic hydrolysis, one of the major bottlenecks identified was the partitioning of glucose to both phases. The resultant conceptual process design operates as a tool to evaluate ATPS hydrolysis and compare it to conventional one. On the other hand, the thermodynamic model could not quantitatively describe the data. This occurs mainly because of the strong influence of random experimental errors on the estimation of interchange energy, systematic errors when translating the observed data to calculated partition concentrations, and FH not being an exact description of phase separation in salt based ATPS. The high throughput screening methodology indicated ATPS able to partition sugar and enzymes. The selected ATPS presented no significant improvements to perform the enzymatic conversion of sugarcane bagasse compared to the conventional hydrolysis. The main reasons were the influence of phase forming components on the enzymatic activity and the low selectivity of sugars in the ATPS. To disclose the application of ATPS in the ethanol processing industry, the recovery and reuse of the phase forming components are imperative for economic feasibility. Moreover, the developed high throughput platform could be further employed to exhaustively screen systems to design effective ATPS for the partition of sugars and proteins in polymer-salt systems

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