Proteína de soja como aditivo na sacarificação enzimática da biomassa vegetal: desenvolvimento e análise tecno-econômica do processo

dc.contributor.advisor1Farinas, Cristiane Sanchez
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9933650905615452por
dc.contributor.authorBrondi, Mariana Govoni
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/2753123048179923por
dc.date.accessioned2019-04-25T19:30:33Z
dc.date.available2019-04-25T19:30:33Z
dc.date.issued2019-02-28
dc.description.abstractThe implementation of the biochemical conversion process of lignocellulosic biomass into biofuels and other bioproducts still have some technological challenges to be overcome, such as low yield of the enzymatic hydrolysis step and the high cost of cellulolytic enzymes. Among the strategies to increase efficiency of biomass enzymatic saccharification, the use of additives has shown positive effects, since they decrease unproductive adsorption of cellulases in the lignin, reducing loss of enzymes in the process. However, the use of low-cost additives is necessary to make the process economically feasible. Thus, the present study evaluated the use of soy protein as an additive to reduce unproductive adsorption of enzymes during the enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. In order to achieve this objective, initially, a statistical experimental design methodology was used as a tool to optimize the solids loading and soy protein concentration, setting these variables for subsequent steps of this study at 15% (w/v) and 12% (w/w), respectively. The time profile for glucose release using different enzyme loads allowed to stablish a loading of 10 FPU/g of bagasse and it also showed that it was for the hydrolysis time of 24 hours that soy protein was more effective in relation to the control (hydrolysis without additive). The saccharification of the liquid hot water pretreated sugarcane bagasse at these conditions allowed to increase the amount of glucose released in the process by up to 26%. This condition was validated during the hydrolysis in a 0.5 L reactor, which represents conditions more similar to the industrial reality. Assays performed with the soluble fraction of soy protein and its association with the surfactant Tween 80 showed that it was possible to reduce considerably the additive concentration used in the hydrolysis and still have similar or higher gains than those obtained by 12% (w/w) of soy protein. The physicochemical characterization of the biomass-additive interaction performed by FTIR and by the elemental nitrogen analysis, as well as the verification of the effect of soy protein on the activity and stability of the enzymatic cocktail indicated that the additive, besides reducing the non-productive adsorption between enzymes and lignin, also has a positive effect on the stability of the enzymes. Transversally to these experimental activities, a methodology developed by the LaDABio/UFSCar was used to analyze the reverse techno-economic feasibility of the process, allowing the definition of performance targets within the context of an integrated biorefinery of 1G-2G ethanol, in order to make it economically feasible. This analysis showed that, in order to allow techno-economic feasibility of the use of soy protein in the context of 1G-2G biorefinery, the conversion provided by the additive should be increased and the enzymatic load reduced. In addition, working with 12% (w/w) of protein in the hydrolysis reactor had an interesting result. It led to an increase in the NPV (Net Present Value) of the process, due to the increase in the amount of electric energy generated by the plant due to the burning of the protein in the boilers.eng
dc.description.resumoA implantação do processo de conversão bioquímica da biomassa lignocelulósica em biocombustíveis e outros bioprodutos ainda apresenta alguns desafios tecnológicos, tais como o baixo rendimento da etapa de hidrólise enzimática e o alto custo das enzimas celulolíticas. Dentre as estratégias para aumentar a eficiência das reações de sacarificação enzimática da biomassa, o uso de aditivos tem mostrado efeitos bastante positivos, uma vez que estes diminuem a adsorção improdutiva das celulases na lignina, reduzindo a perda de atividade enzimática durante o processo. No entanto, o uso de aditivos de baixo custo se faz necessário para que o processo se viabilize economicamente. Assim, o presente estudo avaliou o uso de proteína de soja como aditivo para a redução da adsorção improdutiva de enzimas durante a hidrólise enzimática do bagaço de cana-de-açúcar. A fim de se atingir tal objetivo, inicialmente utilizou-se o planejamento experimental estatístico como ferramenta para otimizar as variáveis carga de sólidos e de proteína de soja, sendo estas fixadas em 15% (m/v) e 12% (m/m), respectivamente, para as etapas subsequentes do trabalho. A avaliação do perfil temporal de liberação de glicose para diferentes cargas de enzima permitiu estabelecer a carga de 10 FPU/g de bagaço, além de mostrar que em 24 h hidrólise o efeito da proteína de soja se mostrou mais efetivo em relação ao controle (hidrólise sem aditivo). A sacarificação do bagaço de cana-de-açúcar submetido ao pré-tratamento hidrotérmico nessas condições possibilitou aumentar em até 26% a quantidade de glicose liberada, sendo que esta condição foi validada durante a hidrólise em reator de 0,5 L, o qual representava condições mais próximas da realidade industrial. Ensaios realizados com a fração solúvel da proteína de soja e a associação desta com o surfactante Tween 80 indicaram a possibilidade de reduzir significativamente a quantidade de aditivo e ainda obter ganhos similares ou superiores aos obtidos com 12% (m/m) de proteína de soja. A caracterização físico-química do conjunto biomassa-aditivo por FTIR e pela análise elementar de nitrogênio, assim como a análise do efeito da proteína de soja na atividade e estabilidade do coquetel enzimático mostraram que o aditivo, além de reduzir a adsorção improdutiva de enzimas na lignina, também tem efeito na estabilidade das enzimas. Transversalmente a essas atividades experimentais, utilizou-se a metodologia desenvolvida pelo LaDABio/UFSCar para análise reversa da viabilidade tecno-econômica do processo, permitindo definir metas de desempenho dentro do contexto de uma biorrefinaria integrada de etanol 1G-2G de modo a viabilizá-la economicamente. Tal análise mostrou que, para que seja possível a viabilização tecno-econômica da utilização da proteína de soja no contexto da biorrefinaria 1G-2G, a conversão proporcionada pelo aditivo deve ser aumentada e o carga enzimática deve ser reduzida. Ademais, trabalhar com 12% (m/m) de proteína se mostrou interessante, uma vez que acarretou aumento no VPL (Valor Presente Líquido) do processo devido ao aumento na quantidade de energia elétrica gerada pela planta devido a queima da proteína nas caldeiras.por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.description.sponsorshipIdFAPESP: 2017/13931-3por
dc.identifier.citationBRONDI, Mariana Govoni. Proteína de soja como aditivo na sacarificação enzimática da biomassa vegetal: desenvolvimento e análise tecno-econômica do processo. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/11319.por
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/11319
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCampus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.rights.uriAcesso restritopor
dc.subjectHidrólise enzimáticapor
dc.subjectProteína de sojapor
dc.subjectBiomassa lignocelulósicapor
dc.subjectAdsorção improdutivapor
dc.subjectLigninapor
dc.subjectAnálise tecno-econômicapor
dc.subjectEnzymatic hydrolysiseng
dc.subjectSoy proteineng
dc.subjectLignocellulosic biomasseng
dc.subjectUnproductive bindingeng
dc.subjectLignineng
dc.subjectTechno-economic analysiseng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICApor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICApor
dc.titleProteína de soja como aditivo na sacarificação enzimática da biomassa vegetal: desenvolvimento e análise tecno-econômica do processopor
dc.title.alternativeSoy protein as an additive on lignocellulosic biomass saccharification: development and techno-economic analysis of the processeng
dc.typeDissertaçãopor
dc.ufscar.embargo12 meses após a data da defesapor

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