Valorização biotecnológica de Landoltia punctata com vistas a uma produção de etanol

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2016.

A lemna tem sido apontada como uma biomassa potencial para a produção de etanol, devido a sua capacidade de acumular amido, possuir altas velocidades de crescimento, baixo teor de lignina, dentre outras características. Neste trabalho a produção de etanol a partir da biomassa de lemna (Landoltia punctata) foi avaliada. O estudo foi dividido em duas partes. A primeira parte avaliou a hidrólise enzimática simultânea das frações amilácea e celulósica, sem o uso de pré-tratamento, da biomassa de lemna submetida ao acúmulo de amido. A segunda parte avaliou o efeito do pré-tratamento hidrotérmico na fração celulósica da biomassa de lemna submetida à sacarificação e fermentação simultânea (SFS). O acúmulo de amido em lemna foi influenciado pela escassez de nutrientes. Na simples transferência das lemnas do sistema de tratamento de efluente doméstico para água de rede de abastecimento submetidas às condições climáticas não controladas, o teor de amido atingiu 27%. Quanto à liquefação do amido, sua eficiência foi de 60,5% em 3 horas (lemna 7% m v-1; pH 5; 50 rpm; 65 °C e a-amilase 10% (v m-1). A maior eficiência da sacarificação do amido foi de 98,99% em 8 horas (pH 5; 45 ºC, 100 rpm, amiloglucosidase 1%, v m-1; e pectinase 0,3%, v m-1). A enzima complementar (Htec) para a hidrólise da celulose não apresentou efeito significativo na eficiência da reação. A maior eficiência da sacarificação simultânea do amido e da celulose da biomassa de lemna sem pré-tratamento foi de 82% em 4 horas (pH 5; 45 ºC; 100 rpm, amiloglucosidase 1%, v m-1; e pectinase 0,3%, v m-1 e celulase 20%, v m-1). Em relação à segunda parte desse estudo, o pré-tratamento hidrotérmico resultou na solubilização dos açúcares não-celulósicos. Na melhor condição (200 °C, 10 minutos, fator de severidade 3,9), a conversão em etanol foi de 88,81%, valor esse 63% maior ao encontrado na biomassa não tratada. Sendo assim, em relação à primeira parte do estudo, a produção de açúcares fermentescíveis a partir da biomassa de lemna se mostrou promissora, levando em consideração a capacidade de acumular amido por meio de um processo simples, às condições amenas da hidrólise enzimática e à alta eficiência do processo em tempo relativamente curto. Em relação à segunda parte, o pré-tratamento hidrotérmico se mostrou adequado para maximizar a conversão de etanol da fração celulósica da biomassa de lemna submetida à SFS.<br>

Abstract : Duckweed has been identified as a potential biomass for the production of ethanol, due to its ability to accumulate starch, high growth rates and low lignin content. Production of ethanol from duckweed biomass was evaluated. This research was divided into two steps. The first step evaluated simultaneous enzymatic hydrolysis of the starchy and the cellulosic fraction without the use of pretreatment of biomass duckweed subjected to starch accumulation. The second step evaluated the effect of the hydrothermal pre-treatment in the cellulosic fraction of biomass duckweed subjected to simultaneous saccharification fermentation (SSF). Starch accumulation in duckweed was influenced by the starvation of nutrients. In simple transfer of duckweed to wastewater treatment system to tapwater subject to weather conditions not controlled, the starch content reached 27%. As for starch liquefaction efficiency was 60.5% at 3 hours (Duckweed 7% w / v; pH 5; 50 rpm; 65 ° C and a-amylase 10% v / w). The greater efficiency of the starch saccharification was 98.99% in 8 hours (pH 5, 45 ° C, 100 rpm, amyloglucosidase 1% v / w, and 0.3% pectinase, v / w). The additional enzyme for the hydrolysis of the cellulose had no significant effect on the reaction efficiency. The greater efficiency of simultaneous saccharification of starch and cellulose biomass duckweed without pre-treatment was 82% in 4 hours (pH 5, 45 ° C, 100 rpm, amyloglucosidase 1% v / w, and 0.3% pectinase v / w cellulase 20% v / w). In the second step of this research, the hydrothermal pretreatment resulted in the solubilization of non-cellulosic sugars. In the best condition (200 ° C, 10 minutes and severity factor 3.9), conversion to ethanol was 88.81%, an amount 63% higher to that found in untreated biomass. Thus, in the first step of the research, the production of fermentable sugars from biomass duckweed proved promising, taking into account the capacity to accumulate starch through a simple process at mild conditions of enzymatic hydrolysis and high process efficiency in a relatively short time. In the second step, the hydrothermal pre-treatment is adequate to maximize the ethanol conversion of cellulose fraction of biomass duckweed submitted to SSF.