Hidrólise enzimática ou sacarificação

Em função da produção de etanol de segunda geração, têm-se dado maior atenção à eficiência e ao custo do processo de hidrólise enzimática, o qual é utilizado para conversão de materiais lignocelulósicos em açúcares monoméricos ou fermentescíveis (LARABI et al., 2013; AMIRI et al., 2014). No processo de sacarificação, são obtidos açúcares simples a

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partir de carboidratos complexos como amido, celulose, hemicelulose, pectina, entre outros (KARIMI et al., 2006).

A hidrólise enzimática de materiais lignocelulósicos têm sido amplamente estudada em função das vantagens que ela apresenta como processo: alta especificidade de reação, não apresenta reações secundárias, que poderiam levar a perdas de rendimento, não há formação de inibidores da fermentação alcoólica e pode ser realizada em condições de processo mais amenas (pH de 4,8 e temperatura entre 46 e 51°C) e sem condições corrosivas para os equipamentos (BASTOS, 2007; ALVIRA et al., 2010) o que pode levar a custos de operação menores quando comparada com a hidrólise química (ALVIRA et al., 2010). No entanto, o custo das enzimas é ainda relativamente alto para obtenção de produtos com valor agregado como os biocombustíveis o que requer pesquisas no sentido de seu barateamento, assim como, no desenvolvimento dos processos de hidrólise para diminuir a quantidade de enzima utilizada (ALVIRA et al., 2010).

Em geral, no processo de obtenção do etanol de segunda geração a hidrólise enzimática encontra-se associada a métodos de pré-tratamentos, que alteram a estrutura da parede celular do material e reduzem a recalcitrância da estrutura dos materiais lignocelulósicos com o objetivo de tornar a hidrólise eficiente (KARIMI et al. , 2013).

Quando realizada para materiais lignocelulósicos pode ser um processo lento, por ser prejudicada pelas características estruturais do substrato, tais como o conteúdo de lignina e hemicelulose, a área de superfície e a cristalinidade da celulose (ALVIRA et al., 2010). Em geral encontra-se associada a métodos de pré-tratamentos, que “abrem” o material e reduzem a recalcitrância da estrutura dos materiais lignocelulósicos com o objetivo de tornar a hidrólise eficiente (KARIMI et al. , 2013).

De acordo com Abels et al. (2013), durante o processo de hidrólise, a remoção dos açúcares simples produzidos pela degradação da celulose e hemicelulose seria uma etapa fundamental para minimizar os efeitos de inibição enzimática pela presença do excesso de produto o que melhoraria a atividade das enzimas utilizadas.

O processo de hidrólise enzimática ainda não é totalmente esclarecido e ainda experimenta, como comentado acima, o entrave do relativo alto custo das enzimas utilizadas. Porém, já em 2008 (TAYLOR, 2008) se mostrava promissor para a produção de etanol de segunda geração.

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Segundo Maki et al. (2009) para que um complexo celulolítico seja considerado ideal deve apresentar as seguintes condições: operação em temperatura e pH brandos; ajuste correto na quantidade das diferentes enzimas componentes, o que garantiria uma ação sinérgica entre elas; elevada especificidade; tolerância ao produto de hidrólise; alta estabilidade a pH e temperaturas ótimos e alta atividade em substratos insolúveis. De acordo com Van Dyk & Pletschke (2012) as principais enzimas envolvidas na degradação de materiais lignocelulósicos a monômeros podem ser observados na Tabela 2.3.

Tabela 2-3 Algumas das principais enzimas envolvidas na degradação de materiais lignocelulósicos a monômeros (VAN DYK & PLETSCHKE, 2012).

Lignina Lacase, Manganase peroxidase, Lignina

peroxidase

Pectina Pectina metill esterase, pectato liase,

poligalacturonase, ramnogalacturona liase

Hemicelulose Endo-xilanase, acetil xylana esterase, β-

xilosidase, endo-mannanase, β- mannosidase, αL-arabinofuranosidase, αglucuronidase, acido ferulico esterase, α- galactosidase, acido p-coumarico esterase Cellulose

Celobiohidrolase (exoglucanase), endoglucanase, β-glucosidase

Nesta revisão serão, consideradas apenas para as enzimas degradadoras da celulose, pois foram aquelas que foram utilizadas neste trabalho. As glicosidases são o principal grupo de enzimas que realiza a degradação da celulose através da clivagem das ligações glicosídicas, processo do qual provém sua energia livre. Esse grupo de enzimas apresenta uma complexa estrutura molecular constituída por uma seqüência de aminoácidos hidrofóbicos não-catalíticos – carhohydrate- binding modules (CBM) – que se ligam aos terminais redutores dos polissacarídeos. Os CBM são capazes de aumentar a taxa de hidrólise do módulo catalítico das glicosidases (VIEGAS, 2008; MCCARTNEY et al., 2006); esses grupos envolvem as microfibrilas amorfas e cristalinas de celulose, o que leva a uma facilitação da hidrólise enzimática (PINTO et al., 2008 e MCCARTNEY et al.,

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2006). A degradação da celulose já foi mencionada no item 2.3.1 e de acordo com Peterson et al. (1978) pode ser descrita em três etapas (Figura 2.20):

Figura 2.20 Degradação esquemática da celulose por celulases

Os fatores que afetam a atividade da celulase são a concentração do substrato, inibição pela presença dos produtos finais, temperatura de reação e pH (KIM & DALE, 2004). Outro ponto importante é que a presença de celobiose pode inibir a atividade da celulase, o que torna sua remoção um importante fator para maior efetividade da hidrólise (ZHANG et al., 2010; GUO et al., 2012). Na Figura 2.21, é observado o modo de ação das celulases.

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A hidrólise enzimática pode ser realizada em processo simultâneo com a fermentação. Todavia, a diferença de temperatura entre os processos é um dos principais fatores que limitam a obtenção eficiente de produtos quando realizados em um mesmo processo (MARQUES et al., 2008). Segundo Krishna (2000) a hidrólise enzimática é superior à hidrólise ácida, em vários aspectos, como mostra a Tabela 2.4.

Tabela 2-4 Comparação entre hidrólise enzimática e hidrólise ácida (KRISHNA et al., 2000).

Parâmetro Hidrólise ácida Hidrólise enzimática

Pré-tratamento Pode ser necessário Necessário Taxa de hidrólise Rápida (min.) Lenta (h)

Temperatura Alta (200°C) Baixa (45°C)

Pressão Alta Atmosférica

Rendimento Depende do material e dos detalhes do processo

Depende do material e dos detalhes do processo Formação de subprodutos Provável formação Não há formação