Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials using cellulases produced by the fungus Aspergillus niger

Os resÃduos lignocelulÃsicos sÃo os mais abundantes no mundo e atualmente hà uma preocupaÃÃo mundial em aproveitÃ-los como matÃria-prima na produÃÃo de bioetanol. Isto à possÃvel visto que tais resÃduos sÃo ricos em celulose. A celulose à um biopolÃmero composto por molÃculas de glicose unidas por ligaÃÃes glicosÃdicas Ã-1-4. A glicose pode ser transformada em etanol por via fermentativa e pode ser obtida da celulose via hidrÃlise enzimÃtica utilizando as enzimas celulases. As celulases podem ser produzidas por diversos micro-organismos sob condiÃÃes adequadas. Dentre esses micro-organismos, destaca-se o fungo Aspergillus niger. Neste trabalho, celulases foram obtidas cultivando-se A. niger em meio de cultura com os resÃduos lignocelulÃsicos bagaÃo de cana-de-aÃÃcar, palha de milho e palha de trigo prÃ-tratados com NaOH 4% como Ãnica fonte de carbono. Observou-se a cinÃtica da fermentaÃÃo com bagaÃo de cana-de-aÃÃcar prÃ-tratado com NaOH 4% como fonte de carbono. Foram analisadas diversas variÃveis que afetam a hidrÃlise enzimÃtica utilizando os trÃs resÃduos lignocelulÃsicos prÃ-tratados com NaOH 4% como substrato. As variÃveis analisadas foram: pH, temperatura, tempo de hidrÃlise enzimÃtica, fraÃÃo mÃssica de substrato e diluiÃÃo do caldo enzimÃtico. Avaliou-se a eficiÃncia dos prÃ-tratamentos dos resÃduos com NaOH 4% e com H2O2 1%. Avaliou-se o comportamento da atividade enzimÃtica submetendo os resÃduos lignocelulÃsicos a hidrÃlises enzimÃticas sucessivas. A desativaÃÃo enzimÃtica foi avaliada nas condiÃÃes de resfriamento e congelamento do caldo enzimÃtico. Nas condiÃÃes estudadas, foi concluÃdo que o Aspergillus niger produz celulases quando cultivado em meio com resÃduos lignocelulÃsicos prÃ-tratados como fonte de carbono. O tempo ideal para coleta do caldo enzimÃtico, com produtividade mÃxima, foi de aproximadamente 7 dias. O complexo celulÃsico nÃo sofre desativaÃÃo se armazenado a temperatura de -18ÂC (freezer) por 43 dias, mas perde sua atividade em 43% apÃs 48 h se armazenado a 4ÂC (geladeira). A palha de milho apresentou melhores resultados como fonte de carbono na fermentaÃÃo e como substrato na hidrÃlise, comparada com os outros resÃduos, com atividade enzimÃtica de 0,895 U/mL. O pH ideal para se conduzir a hidrÃlise foi 4,8 na temperatura de 50ÂC por 50 minutos. A fraÃÃo de substrato e a concentraÃÃo das enzimas afetam linearmente a atividade enzimÃtica. Os resÃduos prÃ-tratados proporcionaram melhores resultados de atividade enzimÃtica do que os resÃduos nÃo tratados. Os melhores resultados de atividade foram obtidos com os resÃduos tratados com soluÃÃo de H2O2 1%, com atividade de 0,655 U/mL para o bagaÃo de cana, 0,892 U/mL para a palha de milho e 0,801 U/mL para a palha de trigo. AlÃm disso, os resÃduos tratados com H2O2 podem sofrer quatro processos de hidrÃlise sucessivos, com o segundo processo rendendo a maior atividade enzimÃtica para todos os resÃduos prÃ-tratados.Lignocellulosic materials are the most abundant residues in the world and there is a worldwide concern to use them as raw material for bioethanol production. This is possible because these materials are rich in cellulose. Cellulose is a biopolymer composed of glucose molecules linked by Ã-1-4 glycosidic bonds. Glucose can be converted into ethanol by fermentation and can be obtained from cellulose by enzymatic hydrolysis using cellulases. The cellulases can be produced by several microorganisms under appropriate environmental conditions. Amongst these microorganisms is the fungus Aspergillus niger. In this work, cellulases were obtained by fermentation cultivating A. niger in broth containing pretreated lignocellulosic materials such as sugarcane bagasse, corn straw or wheat straw as the only carbon source. The fermentation kinetic was observed when the pretreated sugarcane bagasse was used as the carbon source. Several variables that affect the enzymatic hydrolysis were analyzed using the three pretreated lignocellulosic materials as hydrolysis substrate. The variables analyzed were: pH, temperature, time of the hydrolysis, mass fraction of the substrate and dilution of the enzymatic broth. The pretreatment of the lignocellulosic materials is paramount for exposing the cellulose chain. Pretreatment consisted of using 4%w/w NaOH solution or 1%w/w H2O2 and their efficiency for removing the lignin from the residues were evaluated. The enzymatic activity also was evaluated by submeting the lignocellulosic materials to successive enzymatic hydrolysis. The enzyme deactivation was evaluated by cooling or freezing the enzymatic broth. It was concluded that Aspergillus niger produces cellulases when grown on medium with pretreated lignocellulosic materials as carbon source. Considering the fermentation kinetic, the ideal time to collect the enzymatic broth with maximum productivity was about 7 days. The cellulase complex does not suffer considerable deactivation when stored at -18ÂC (freezer) for 43 days, however, the broth activity drops by 43% after 48 hours when stored at 4ÂC (fridge). The corn straw showed better results as carbon source in fermentation and as substrate hydrolysis, compared with the other materials, with enzymatic activity of 0.895 U/ml. The ideal pH to conduct the enzymatic hydrolysis was 4.8 at 50ÂC for 50 minutes. The mass fraction of the substrate and enzyme concentration affects the enzymatic activity by a linear dependence. The pretreated materials provided higher enzymatic activity results than the untreated materials. The highest activity enzymatic results were obtained with H2O2 treated substrates, with enzymatic activity of 0.655 U/ml for the sugarcane bagasse, 0.892 U/ml for the corn straw and 0.801 U/ml for the wheat straw. Also, the results show that the H2O2 pretreated materials can be submitted up to, at least, four successive hydrolysis with the second one yielding the highest enzymatic activity for all pretreated residues