Durante a etapa de pré-tratamento no processo de produção de etanol lignocelulósico, verifica-se a alteração das características físico-químicas e constitutivas do substrato. No material pré-tratado ocorrem alterações estruturais da celulose, como o seu grau de polimerização, cristalinidade, área superficial, dentre outras características que, por sua vez, podem ter sido modificadas de forma independente ou dependente entre si (Zhou et al., 2009). A discriminação das propriedades físico-químicas que exercem influência na hidrólise enzimática daquelas que não influenciam no processo precisa ser feita de forma mais precisa, para esclarecer as razões fenomenológicas da recalcitrância. De todas as características estruturais do substrato que podem exercer influência na hidrólise enzimática, provavelmente a cristalinidade e área superficial são aquelas que se têm mais dúvida no processo reacional. Na literatura visitada percebe-se, todavia, que modelos semi-mecanísticos que incorporam características estruturais e funcionais são muito escassos quanto a sua quantidade, mas também quanto ao número de características estudadas (Tabela 2).
No que diz respeito à cristalinidade, em trabalhos de modelagem cinética de hidrólise enzimática com substrato celulósico ou lignocelulósico, alguns autores propuseram que a celulose presente nesse substrato era constituída de duas fases, cada uma apresentando diferentes propriedades reacionais (Peitersen & Ross, 1979; Nidetzky e Steiner, 1993; Gan et al., 2003; Al-Zuhair, 2008). Todavia, na literatura a determinação do índice de cristalinidade não emprega a técnica que melhor correlaciona a fração cristalina na amostra, a partir de sua investigação. Alguns desses autores assumiram que cada uma das fases possuía cristalinidade distinta da outra e que a fração menos cristalina seria degradada preferencialmente ao longo da reação. acarretando no aumento da cristalinidade do reagente, o que estaria correlacionado, por sua vez, com o decréscimo da taxa reacional (Peiterson e Edward Ross, 1979; Ryu et al., 1982; Scheiding et al., 1984; Gusakov e Sinitsyn, 1985). Esses trabalhos, porém, não mediram a cristalinidade da mistura reacional ao longo da reação. Logo, não foi feita uma correlação da cristalinidade com as frações de cada um dos componentes na mistura para construir os modelos cinéticos como pretende esse trabalho. A exceção seria o trabalho de Nag et al. (2015), que debruçou sobre as características listadas e a do grau de polimerização.
67
No que diz respeito à descrição da quantidade de enzimas adsorvidas junto ao substrato, a literatura retrata modelos que incorporam a isoterma de Langmuir em modelos cinéticos, enquanto outros descrevem a quantidade de enzima adsorvida no substrato por correlações empíricas (Bansal et al., 2009). Porém a maioria dos modelos descreve a adsorção das celulases pela isoterma de Langmuir (Câmara, 2012), mesmo que algumas hipóteses dos modelos de Langmuir não possam ser aplicadas para todas as condições de uma cinética enzimática heterogênea (Zhang & Lynd, 2004), principalmente no que diz respeito à formação do complexo enzima-substrato e à dinâmica do equilíbrio de adsorção da enzima durante o curso da hidrólise. Medve et al. (1997), por exemplo, modificou o modelo de adsorção de Langmuir para obter melhores expressões para explicar os dados experimentais, resultando na expressão de Langmuir-Freundlich, com dois sítios de adsorção. Nesse trabalho, pretende-se encontrar uma expressão baseada no modelo de Langmuir para as enzimas do processo que respeite a dinâmica do equilíbrio de adsorção da enzima durante o curso da hidrólise, relacionando com a área do material modificada ao longo do tempo, algo que não foi ainda investigado.
Nos modelos adaptados de Kadam et al. (2004), as modificações do substrato durante a hidrólise são descritas por um termo que denota a reatividade do substrato, que decresce com o tempo. Acredita-se ser possível nesse estudo incorporar no modelo as características físicas que têm maiores correlações com a taxa e rendimento reacionais ao invés de inserir um termo de reatividade do substrato, que é pouco descritivo em termos de estrutura e composição do substrato. Essa incorporação pode ser feita a partir da determinação dos efeitos que desempenham essas características no processo, elencando aquelas que exercem maior influência, por exemplo. O esclarecimento das contribuições das características físicas e químicas dos componentes reacionais sobre a hidrólise enzimática pode contribuir com o surgimento de novos modelos cinéticos mais precisos ou mais funcionais, expandindo o conhecimento mecanístico do processo e permitindo a adaptação das descrições anteriores. Essas características, por sua vez, poderiam ser tomadas como parâmetros de controle de qualidade do processo de pré-tratamento, já que estimativas dos rendimentos reacionais de hidrólise poderiam ser feitos a partir do modelo com parâmetros de substrato mais realísticos (características físico-químicas mensuráveis) incorporados nele.
Esse trabalho vem suprir a carência de um modelo cinético estrutural e funcional para as características do substrato, uma vez que poucos dos modelos propostos
68
incorporam tais características em suas descrições e existe incerteza sobre as influências de cada característica na hidrólise isoladamente (Zhang & Lynd, 2004). Nesse estudo serão acrescentadas as influências que as características estruturais exercem na reação de hidrólise de um substrato simplificado. Percebe-se que essa investigação deve ser realizada em um substrato celulósico mais puro, já que se investiga a influência de suas propriedades isoladas sobre o processo. Assim, admite-se ser possível a realização de experimentos complementares aos realizados em celulose feitos no estudo que resultou no modelo de Tsai et al. (2014), concebido para descrever a reação de celulose de Avicel com o pool de enzimas Celluclast 1.5L e Novozymes N188. Imagina-se que ele retenha algumas das propriedades observadas em um substrato mais complexo, como um substrato lignocelulósico.
Pretende-se analisar os efeitos exercidos pela cristalinidade e área superficial em materiais com essas propriedades modificadas por pré-tratamentos, mas, também, acrescentar as inibições causadas pelos produtos reacionais sobre cada uma das enzimas. Dessa forma, um novo modelo cinético que expanda a descrição fenomenológica da reação cinética pode ser escrito a partir do proposto por Tsai et al. (2014) para hidrólise de celulose.
69