Strategies for enhanced enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass

Abstract

A mitigação das alterações climáticas, a produção sustentável de combustíveis e materiais, e o alarmante aquecimento global estão a impulsionar investigadores, indústrias e governos a dirigirem-se para uma transição obrigatória de combustíveis fósseis para biomassa renovável. Neste contexto, as biorefinerías desempenham um papel importante na bioconversão de biomassa renovável, tal como materiais lignocelulósicos, através de uma série de processos (plataformas bioquímicas e termoquímicas) que resultam em combustíveis e produtos químicos. A plataforma de açúcares na biorefinería, onde são utilizadas enzimas ou produtos químicos, é uma escolha viável para obter unidades elementares (building blocks) de açucares para futuros processos de fermentação. A imobilização de enzimas e o desenho de reatores são domínios críticos que melhoram a utilização de enzimas utilizadas na hidrólise de biomassa lignocellulósica. Neste âmbito, um cocktail de celulases formam imobilizadas em nanopartículas magnéticas revestidas de quitosano. O sistema desenvolvido foi capaz de ser reutilizado até 13 ciclos, utilizando carboximetilcelulose como substrato representando um incremento de 8.2 vezes de glucose obtida por massa de enzima utilizada. O desafio e a importância de testar celulase imobilizada em a biomassa lignocelulosica levou à utilização do caroço de milho como biomassa modelo para avaliar a eficiência do sistema proposto. O caroço de milho prétratado hidrotermicamente – fração rica em conteúdo de celulose – foi utilizado como substrato [carga de sólidos de 5% (p/v)] para avaliar o potencial de hidrólise da celulase imobilizada, obtendo-se 22 g/L de glucose que corresponde a um de rendimento de conversão de 65%. Além disso, o projeto do reator deve ultrapassar as principais restrições do processo de hidrólise enzimática com carga de sólidos elevada que engloba a deficiente transferência de massa e calor, condições reológicas desafiantes e a inibição enzimática. Assim, uma segunda estratégia abordada neste trabalho foi a utilização do reator de fluxo oscilatório, conhecido pela sua capacidade de mistura. A avaliação atingiu uma carga máxima de caroço de milho pré-tratado hidrotermicamente de 18% (p/v) e, nestas condições desafiantes de cargas sólidas elevadas, resultou numa concentração de glucose de 100 g/L, representando um rendimento de sacarificação de 81% em 20 h. Posteriormente, foram estudadas estratégias de fed-batch atingindo cargas sólidas de 25% (p/v) e rendimento de sacarificação de 97%. O desenvolvimento de um sistema de imobilização de enzima eficiente e o uso inovador do reator de fluxo oscilatório são os dois resultados principais desta tese que se destinava a contribuir nos desafios que tornam a hidrolise enzimática de materiais lignocelulósicos um passo crítico na transição a uma bioeconomia.

Climate change mitigation, sustainable fuels and materials production, and alarming global warming are driving forces for researchers, industries, and governments to head into a mandatory fossil fuel transition to renewable biomass. Here, biorefineries play an important role to biotransform renewable biomass, such as lignocellulosic materials, through a series of processes (biochemical and thermochemical platforms) into biofuels and chemicals. The sugar platform in biorefinery, where enzymes or chemicals are used, is a feasible choice to obtain building block sugars for further fermentation processes. Enzyme immobilization and bioreactor design are critical domains which improve the use of enzymes used for hydrolysis of lignocellulosic biomass. Under this scope, a cellulase cocktail was immobilized into chitosan-coated magnetic nanoparticles. The developed system could be reused up to 13 cycles, using carboxymethyl cellulose as substrate representing an 8.2-fold increase in glucose produced per mass of enzyme compared. The challenge and importance of testing immobilized cellulase against lignocellulosic biomass led to the use of corn cob as model biomass for evaluating the efficiency of the system proposed. The hydrothermally pretreated corn cob - solid rich in cellulose content - was employed as substrate [5% (w/v) solid loading] to evaluate the hydrolysis potential of the immobilized cellulase, being obtained 22 g/L of glucose which corresponds to 65% conversion yield. Further, bioreactor design should overcome the major restraints of the enzymatic hydrolysis process at high solid loadings which in general encompass poor mass and heat transfer, challenging rheological conditions, and enzyme inhibition. Thus, a second strategy tackled the novel use of oscillatory flow reactor, known for its improved mixing. A maximum batch loading of hydrothermally pretreated corn cob of 18% (w/v) was assessed and, under these challenging conditions, a glucose concentration of 100 g/L was achieved representing a saccharification yield of 81% in 20 h. Then, fed-batch strategies were studied being possible with solid loadings as high as of 25% (w/v) to obtain a saccharification yield of 97%. The development of an efficient enzyme´s immobilization system and the use of an innovative oscillatory flow reactor are the two main outcomes of this thesis that aimed at contributing to some of the challenges of enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials that hinder the transition to a biobased economy.