EN3419 - TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO DE ETANOL
Dalmo Mandelli (CCNH – Química)
Dalmo Mandelli (CCNH – Química)
https://sites.google.com/site/ufabctecnologiaetanol/
Hidrólise da biomassa lignocelulósica
MADEIRA: ESTRUTURA E COMPOSIÇÃO QUÍMICA
A madeira é um material heterogêneo,
basicamente constituída por tecidos formados por células com paredes celulares espessas, cujas formas e tamanhos variam de acordo com a espécie.
A integridade estrutural destes tecidos é atribuída à lamela média, uma camada que mantém as células adjacentes unidas entre si
3 mantém as células adjacentes unidas entre si
As madeiras podem ser agrupadas em duas categorias distintas: 1) As madeiras moles, ou de coníferas, pertencem ao grupo das gimnospermas.
Características folhagem na forma de agulha e a ausência de frutos (sementes descobertas).
As células que servem ao transporte de água e nutrientes também provêem suporte mecânico.
4 plantasonya.com.br
Ex: pinheiros da europa (P. pinaster, P. pinea, P. sylvestris, etc.), os abetos, os chamaciparis, as sequóias, os cedros, os
ciprestes, as araucárias (pinheiros-do-paraná).
2) As madeiras duras, ou de folhosas, pertencem ao grupo das angiospermas dicotiledôneas.
Características: folhas largas e sementes encerradas em frutos. Apresentam células especializadas específicas para transporte de água e nutrientes e para prover suporte mecânico.
5 jardimdeflores.com.br
Exemplos: feijão, amendoim, soja, ervilha, lentilha, grão-de-bico, pau-brasil, ipê, peroba, mogno, cerejeira, abacateiro, acerola, roseira, morango, pereira, macieira, algodoeiro, café, jenipapo, girassol e margarida.
As madeiras de coníferas são relativamente simples, sendo compostas praticamente por um único tipo de células alongadas (2-5 mm) denominadas
traqueídeos.
Células transversais que
ESTRUTURA
6 Células transversais que
compõem o raio e canais de resina também são
encontradas.
Micrografia da seção transversal do tronco de uma madeira
Folhosa Conífera
ESTRUTURA
As madeiras de folhosas são mais complexas e apresentam maior diversidade de padrões de
organização celular.
Três tipos básicos de células são
encontrados nesta categoria: aquelas que compõem os vasos, as fibras e as células do raio, que constituem o
7 as células do raio, que constituem o
parênquima radial.
As células dos vasos (0,2-0,5 mm de comprimento) e as fibras (1,0-2,0 mm de comprimento) são as encontradas em maior quantidade.
Micrografia da seção transversal do tronco de uma madeira
Folhosa Conífera
Em termos de ultraestrutura, a parede de cada célula é formada por diversas camadas: parede primária (P), parede secundária externa (S1), parede secundária média (S2) e parede secundária interna (S3).
Estas camadas são compostas
8 Estas camadas são compostas
por microfibrilas celulósicas orientadas no espaço de forma definida, dependendo da
Estrutura de uma fibra vegetal. A imagem de MEV se refere à fibra de Eucalipto
9 fibra de Eucalipto
R. Silva, S. K. Haraguchi, E. C. Muniz e A. F. Rubira, Quim. Nova, 32 (2009) 661
Os materiais
lignocelulósicos são muito mais difíceis de serem convertidos em etanol que açúcares, amidos e óleos.
A lignocelulose é o material fibroso que
10 material fibroso que
forma a parede celular da arquitetura da planta. Consiste em três
componentes principais: celulose, hemicelulose e lignina.
Celulose: polímeros de glicose de alta massa molar que são mantidos unidos de forma rígida como um feixe de fibras que origina a rigidez do material (40% em massa da lignocelulose).
Hemicelulose: polímeros curtos de vários açúcares que agem como uma cola entre os feixes de
11 uma cola entre os feixes de
celulose (25% da lignocelulose). Lignina: macromoléculas
tridimensionais formadas de unidades propil-fenólicas encapsuladas e ligadas à
hemicelulose. Dá rigidez à estrutura (20% da massa da lignocelulose).
R. Quintero-Ramirez, in Bioetanol de Cana-de-Açúcar P&D para Produtividade e Sustentabilidade, L. A. B. Cortez (Ed.), Ed. Blucher-FAPESP, 2010
12 R. Quintero-Ramirez, in Bioetanol de Cana-de-Açúcar P&D para Produtividade e
CELULOSE
As porções celulósicas e hemicelulósicas da biomassa, representando em torno de
40-50% e 20-30% do peso seco das plantas, respectivamente, são polissacarídeos que podem ser hidrolisados a açúcares e fermentados.
Celulose
13 Celulose
Hemicelulose A. S. Magaton e D. Piló-Velos, Quim. Nova, 31 (2008) 1085. mat. Sup.
CELULOSE
A celulose é um homopolissacarídeo linear constituído unicamente por
moléculas de glicose unidas entre si através de ligações glicosídicas do tipo
β (1→4).
CELULOSE
A celulose é um homopolissacarídeo linear constituído unicamente por
moléculas de glicose unidas entre si através de ligações glicosídicas do tipo
β (1→4).
CELULOSE
Formam-se cadeias lineares que interagem umas com as outras através de ligações de hidrogênio.
16 Solomons et al, Organic Chemistry,
Uma fibra de celulose pode consistir em aproximadamente 40 fitas paralelas de moléculas de glicose unidas de uma maneira β(1→4).
Cada unidade de glicose em uma cadeia é virada e mantida nessa posição por ligações de hidrogênio (linhas tracejadas) entre as cadeias.
As cadeias alinham-se lateralmente para formar
lâminas, e essas lâminas em
17 lâminas, e essas lâminas em
pilham-se verticalmente de tal forma que elas são alternadas por meia unidade de glicose. Os átomos de hidrogênio que não participam nas ligações de hidrogênio foram omitidos para dar clareza.
A estrutura resultante, denominada fibrila elementar, é insolúvel em água e apresenta alto grau de cristalinidade
18 Solomons et al, Organic Chemistry,
Ligações entre moléculas de glicose Interações entre as cadeias lineares adjacentes para a formação da fibrila 19 formação da fibrila elementar
associação entre quatro fibrilas
elementares adjacentes Hemicelulose e lignina para a formação da microfibrila
celulósica A. S. Magaton e D. Piló-Velos, Quim. Nova, 31 (2008) 1085. mat. Sup.
Ligações entre moléculas de glicose Interações entre as cadeias lineares adjacentes para a formação da fibrila Interações entre as cadeias lineares 20 formação da fibrila elementar lineares adjacentes para a formação da fibrila elementar
Ligações entre moléculas de glicose
21 A. S. Magaton e D. Piló-Velos, Quim. Nova, 31 (2008) 1085. mat. Sup.
Hemicelulose e lignina para a formação da microfibrila
HEMICELULOSE
A qualidade da celulose ou papel está diretamente relacionada à composição química da madeira.
Dentre seus constituintes, as hemiceluloses têm despertado grande interesse mundial nos últimos anos, devido, principalmente, à sua
influência nas propriedades da polpa celulósica produzida a partir de fibras da madeira.
A maioria dos polissacarídeos encontrados em paredes celulares vegetais
22 A maioria dos polissacarídeos encontrados em paredes celulares vegetais pertence às celuloses, hemiceluloses ou classes de pectinas.
Ainda que a celulose funcione como o componente rígido e sustentador de peso da parede celular, a rigidez da microfibra celulósica é reforçada
dentro de uma matriz de hemiceluloses e pectinas.
T. L. Ogeda e D. F. S. Petri, Quim. Nova, 33 (2010) 1549 W. Carvalho et al, Quim. Nova, 32 (2009) 2191
HEMICELULOSE
O termo hemicelulose é utilizado coletivamente para denominar grupos distintos de polissacarídeos constituídos por açúcares pentoses (xilose e arabinose) e/ou hexoses (glicose, manose e galactose), ácidos urônicos e grupos acetila.
Possui grande influência nas propriedades da polpa celulósica 23 http://en.wikipedia.org/wiki/ File:Hemicellulose.png da polpa celulósica
obtida a partir de fibras da madeira
HEMICELULOSE
O termo hemicelulose é utilizado coletivamente para denominar grupos distintos de polissacarídeos constituídos por açúcares pentoses (xilose e arabinose) e/ou hexoses (glicose, manose e galactose), ácidos urônicos e grupos acetila.
24 Ácido urônico
HEMICELULOSE
Hemiceluloses são geralmente classificadas de acordo com o resíduo de açúcar principal no esqueleto, como, por exemplo, xilanas (xilose),
mananas (manose) e glicanas (glicose).
Dependendo da espécie da planta, estágio de desenvolvimento e tipo de tecidos, várias subclasses de hemiceluloses podem ser encontradas, incluindo glicuronoxilanas, arabinoxilanas, mananas lineares,
glicomananas, galactomananas, galactoglicomananas, β-glucanas e xiloglucanas.
25 xiloglucanas.
Arabinoxilanas, glicuronoxilanas, xiloglicanas e mananas lineares são
pouco hidratados e, com exceção das mananas lineares (que servem como componente de armazenamento de sementes), estabilizam a parede
celular através de interações de hidrogênio com a celulose e ligações covalentes com a lignina.
HEMICELULOSE
Outras hemiceluloses como, por exemplo, galactoglicomananas, glicomananas, galactomananas e β-glicanas são usadas como energia extracelular e sistema de armazenagem dos produtos brutos, além de mecanismo de retenção de água em sementes.
As hemiceluloses provavelmente estão envolvidas na regulação da elongação e modificação da parede.
26 Acredita-se que as interações entre hemiceluloses e as microfibrilas de celulose sejam mais fortes do que as interações entre as hemiceluloses e ligninas.
A composição química e características estruturais das hemiceluloses variam amplamente através de espécies, localizações sub-celulares e estágios de desenvolvimento.
Geralmente as hemiceluloses estão quimicamente associadas ou reticuladas a outros polissacarídeos, proteínas ou ligninas.
Entre as hemiceluloses, especial atenção tem sido direcionada à estrutura das O-acetil-(4-O-metilglicurono)xilanas, que são as principais hemiceluloses do eucalipto
Composição de carboidratos das O-acetil-(4-Ometilglicurono) xilanas do
Eucalyptus urograndis
27 A. S. Magaton e D. Piló-Velos, Quim. Nova, 31 (2008) 1085
Composição de carboidratos das O-acetil-(4-Ometilglicurono) xilanas do
Eucalyptus urograndis
28 A. S. Magaton e D. Piló-Velos, Quim. Nova, 31 (2008) 1085
As principais estruturas de ácido carboxílico que ocorrem nos polissacarídeos da madeira são os grupos de ácidos glicurônicos, usualmente na forma dos ácidos mono metil éter, 2-O-(4-metil-α-D-glicopiranosilurônico) e galacturônico. O conteúdo total de unidades de ácidos urônicos presentes na madeira está em torno de 4-5% da madeira seca.
Enquanto as unidades de ácido glicurônico
29 G. Ventorim et al, Quím. Nova, 32 (2009) 373.
de ácido glicurônico predominam nas xilanas (hemiceluloses) presentes na madeira, as de ácido galacturônico são constituintes das pectinas.
As principais estruturas de ácido carboxílico que ocorrem nos polissacarídeos da madeira são os grupos de ácidos glicurônicos, usualmente na forma dos ácidos mono metil éter, 2-O-(4-metil-α-D-glicopiranosilurônico) e galacturônico. O conteúdo total de unidades de ácidos urônicos presentes na madeira está em torno de 4-5% da madeira seca.
Enquanto as unidades de ácido glicurônico
30 G. Ventorim et al, Quím. Nova, 32 (2009) 373.
de ácido glicurônico predominam nas xilanas (hemiceluloses) presentes na madeira, as de ácido galacturônico são constituintes das pectinas.
CURIOSIDADE:
Os ácidos hexenurônicos não são desejáveis nos processos de branqueamento de celulose.
http://www.msinstrumentos.com.br/ industrias/papel_e_celulose.htm
31 Além de consumirem os reagentes químicos do branqueamento, causam um aumento na sua habilidade de quelar metais, comparado com seu precursor, o ácido 4-O-metil glicurônico
Conseqüentemente levam a uma maior reversão de alvura
Adicionalmente os ácidos hexenurônicos não são reativos no branqueamento alcalino com oxigênio e peróxido de hidrogênio.
Estrutura química parcial das O-acetil-(4-O-metilglicurono)xilanas
Caracterizado por:
32 Caracterizado por:
IV, RMN 1H e RMN13C (técnica de correlação heteronuclear HSQC, para
identificar hidrogênios anoméricos e separá-los daquelas dos demais hidrogênios do anel piranosídico da xilose.
CG-MS (após metanólise e sililação): análise de carboidratos
Cromatografia de exclusão por tamanho: massa molecular média e a
Celulose: polímeros de glicose de alta massa molar que são mantidos unidos de forma rígida como um feixe de
fibras que origina a rigidez do material (40% em massa da lignocelulose).
34 http://pubs.acs.org/cen/coverstory/86/8633cover3.html
Hemicelulose: polímeros curtos de vários açúcares que agem como uma cola entre os feixes de celulose (25% da lignocelulose).
Lignina: macromoléculas
tridimensionais formadas de unidades propil-fenólicas encapsuladas e
ligadas à hemicelulose. Dá rigidez à estrutura (20% da massa da
Celulose: polímeros de glicose de alta massa molar que são mantidos unidos de forma rígida como um feixe de
fibras que origina a rigidez do material (40% em massa da lignocelulose).
35 http://pubs.acs.org/cen/coverstory/86/8633cover3.html
Hemicelulose: polímeros curtos de vários açúcares que agem como uma cola entre os feixes de celulose (25% da lignocelulose).
Lignina: macromoléculas
tridimensionais formadas de unidades propil-fenólicas encapsuladas e
ligadas à hemicelulose. Dá rigidez à estrutura (20% da massa da
A lignina é uma macromolécula sintetizada por via radicalar a partir de três álcoois p-hidróxi-cinamílicos precursores: p-cumarílico, coniferílico e
sinapílico.
LIGNINA
Quando degradadas a frações de massas molares menores, podem ser utilizadas na fabricação de espumas de poliuretanas, resinas fenólicas e epóxi, como fontes de fenol e etileno, e podem ser convertidas em fibras de carbono.
LIGNINA
Dependendo do grau de metoxilação do anel aromático, a unidade básica é
p-hidroxi-fenil (não metoxilada, derivada do álcool p-cumarílico), guaiacil
(com uma metoxila, derivada do álcool coniferílico) ou siringil (com duas metoxilas, derivada do álcool sinapílico).
39 http://www.quimicaederivados.com.br/index.php?sessao=reportagem&id=376&codigo_revis=495
Vários tipos de
acoplamento que podem ocorrer entre as
unidades básicas que constituem a lignina.
Estes dão origem a
40 Estes dão origem a
ligações como β-O-4 e
α-O-4 (50-65%),
β-1 (9-15%),
β-5 (6-15%), 5-5 (2-9%) e β-β (2-5%).
Vários tipos de
acoplamento que podem ocorrer entre as
unidades básicas que constituem a lignina.
Estes dão origem a
41 Estes dão origem a
ligações como β-O-4 e
α-O-4 (50-65%),
β-1 (9-15%),
β-5 (6-15%), 5-5 (2-9%) e β-β (2-5%).
A parede secundária interna (S3) é
A proporção entre os componentes da parede celular (celulose, hemicelulose e lignina) depende da espécie vegetal e varia de camada para camada.
Teor de lignina encontrado em madeiras de coníferas (25-35%) é superior àquele encontrado em madeiras de folhosas (18-25%).
Lignina responde por até 84% do peso da lamela média composta (LM + P).
42 A parede secundária interna (S3) é
constituída por até 87% de hemicelulose, com pouca ou nenhuma lignina.
A parede secundária média (S2),
usualmente mais espessa que as demais, apresenta em média 54% de celulose.
É importante diferenciar os componentes da parede celular,
polissacarídeos e lignina, dos compostos estranhos à fibra vegetal, os quais não são considerados essenciais à estrutura da parede celular ou da lamela média.
Alguns destes componentes são solúveis em água ou solventes orgânicos neutros, e são coletivamente denominados extraíveis.
43 orgânicos neutros, e são coletivamente denominados extraíveis.
Outros, como proteínas e sais de ácidos inorgânicos, por outro lado, podem ser completamente insolúveis nos solventes utilizados para a remoção dos extraíveis.
Os extraíveis são associados cor, cheiro e sabor.
São constituídos por substâncias de baixa massa molar envolvidas no metabolismo da planta.
Quimicamente, consistem em açúcares, compostos aromáticos, ceras, ácidos graxos e resinas (terpenos, lignanas, estilbenos, flavonóides),
44 ácidos graxos e resinas (terpenos, lignanas, estilbenos, flavonóides),
entre outros.
Estes compostos desempenham um papel importante no processo de biodegradação da madeira, pois podem atuar como mediadores que
fomentam a redução de íons metálicos como o Fe+3 e a atividade de enzimas
como a manganês peroxidase.
Por outro lado, também podem atuar como protetores da madeira contra o ataque de micro-organismos, devido à atividade antimicrobiana exibida por vários de seus constituintes.
45 vários de seus constituintes.
limoneno, um terpeno
46 Flavonóides (polifenóis)
A obtenção de etanol a partir de biomassa envolve duas etapas: 1) Hidrólise dos polissacarídeos, gerando mono e dissacarídeos. 2) Fermentação dos monos e dissacarídeos em etanol.
HIDRÓLISE DA CELULOSE
47 A hidrólise de celulose gera glicose e celobiose (um dímero de glicose).
Por outro lado, a hidrólise de ligninas e hemicelulose gera açúcares e
subprodutos (principalmente, difenóis, derivados de fenilpropano, cetonas, furfural e ácido acético), que muitas vezes inibem a fermentação
microbiana.
Os processos hidrolíticos não são triviais:
Existem interações complexas entre hemicelulose e celulose presentes nas paredes celulares dos vegetais e entre estes polissacarídeos e ligninas.
A natureza cristalina da celulose e, à barreira física formada por ligninas ao redor das fibras celulósicas dificulta o acesso dos reagentes (catalisador e água).
48 água).
Por esta razão, a biomassa sofre um pré-tratamento para separar a matriz de lignina, reduzir a cristalinidade da celulose e hidrolisar a hemicelulose,
separando o hidrolisado da celulose, a qual sofre tratamento específico para a obtenção de glicose.
Tipicamente, cadeias de celulose em parede celular primária de plantas têm graus de polimerização (DP) na faixa de 5.000 a 7.500;
O DP de celulose de madeira é em torno 10.000, e a de celulose de algodão 15.000.
À T amb, os anéis relativamente rígidos de glicose são todos encontrados em sua energia mais baixa, C4 mantido em conformação cadeira, não fazendo transições para outra conformação cadeira ou para várias possíveis formas barco-deformado.
49
Celulose
Com os anéis nesta conformação, todos os grupos hidroxilas ligados por ligações de hidrogênio e os substituintes hidroximetilas dos anéis de piranose são
equatoriais, direcionados à periferia do anel.
Já os prótons hidrofóbicos alifáticos estão em posições axiais, apontando tanto para cima quanto para baixo, em relação ao plano médio dos anéis.
50
Com os anéis nesta conformação, todos os grupos hidroxilas ligados por ligações de hidrogênio e os substituintes hidroximetilas dos anéis de piranose são
equatoriais, direcionados à periferia do anel.
Já os prótons hidrofóbicos alifáticos estão em posições axiais, apontando tanto para cima quanto para baixo, em relação ao plano médio dos anéis.
51 Celulose
Com os anéis nesta conformação, todos os grupos hidroxilas ligados por ligações de hidrogênio e os substituintes hidroximetilas dos anéis de piranose são
equatoriais, direcionados à periferia do anel.
Já os prótons hidrofóbicos alifáticos estão em posições axiais, apontando tanto para cima quanto para baixo, em relação ao plano médio dos anéis.
A estrutura resultante é insolúvel em água e apresenta alto grau de
52 Solomons et al, Organic Chemistry,
Wiley, 7th Ed., 20\00.
em água e apresenta alto grau de cristalinidade
T. L. Ogeda e D. F. S. Petri, Quim. Nova, 33 (2010) 1549
A estrutura cristalina da celulose foi primeiramente descrita por Mark e Meyer, em 1928 e existem vário modelos de estruturas cristalinas.
A estrutura resultante é insolúvel em água e apresenta alto grau de
53 Solomons et al, Organic Chemistry,
Wiley, 7th Ed., 20\00.
em água e apresenta alto grau de cristalinidade
T. L. Ogeda e D. F. S. Petri, Quim. Nova, 33 (2010) 1549
Assim os grupos exocíclicos alcoólicos primários apontam alternadamente para a direita e para esquerda da direção da cadeia.
Em todos os esquemas propostos de empacotamento cristalino, as cadeias são empilhadas emparelhando as faces hidrofóbicas, as quais contribuem para a insolubilidade da celulose sob condições normais. Em umas das conformações cristalinas, cada glicose está “torcida” em 180º em relação à anterior e a seus anéis subsequentes.
54 direção da cadeia.
Figura. Celo-hexose mostrando a conformação
planar e a “torcida” de 180º dos resíduos de celobiose na celulose linear.
A cadeia é estabilizada por ligações de hidrogênio fortes ao longo da direção das cadeias, do grupo exocíclico hidroxila alcoólico primário O6 ao grupo hidroxila alcoólico secundário O2 do resíduo subsequente, e do grupo hidroxila O3 para o anel de oxigênio O5 do próximo resíduo de açúcar.
Estas ligações de hidrogênio ajudam a manter e reforçar a conformação linear e
55 manter e reforçar a conformação linear e
plana da cadeia para além da rigidez que poderia ser esperada para este tipo de ligação.
É importante notar que, para a maioria dos modelos de celulose cristalina, não há
ligações de hidrogênio entre as cadeias em diferentes camadas do cristal (contradição com Solomons!)
A cadeia é estabilizada por ligações de hidrogênio fortes ao longo da direção das cadeias, do grupo exocíclico hidroxila alcoólico primário O6 ao grupo hidroxila alcoólico secundário O2 do resíduo subsequente, e do grupo hidroxila O3 para o anel de oxigênio O5 do próximo resíduo de açúcar.
Estas ligações de hidrogênio ajudam a manter e reforçar a conformação linear e
56 manter e reforçar a conformação linear e
plana da cadeia para além da rigidez que poderia ser esperada para este tipo de ligação.
É importante notar que, para a maioria dos modelos de celulose cristalina, não há
ligações de hidrogênio entre as cadeias em diferentes camadas do cristal (contradição com Solomons!)
Com todos os átomos de hidrogênio alifáticos em posições axiais e todos os grupos polares de hidroxilas em
posições equatoriais, as partes superior e inferior das cadeias de celulose são hidrofóbicas, enquanto que as laterais das cadeias são
hidrofílicas e capazes de fazer ligações de hidrogênio.
57 Esta topologia é extremamente
importante para o empacotamento das cadeias nos cristais.
Além da celulose, as hemiceluloses como as β-glucanas e xiloglucanas possuem um importante papel na estrutura e função da parede celular.
Elas estão envolvidas no suporte e reticulação da matriz celulósica através de ligações de hidrogênio com a celulose, com outras hemiceluloses e pectinas. Estruturalmente elas são similares à celulose, pois seus esqueletos são
formados por ligações β-glicosídicas.
β-glucanas consistem de misturas de resíduos de β-(1-3) e β-(1-4)
glicosídicas, enquanto que as xilanas são polissacarídeos que possuem um
58 glicosídicas, enquanto que as xilanas são polissacarídeos que possuem um esqueleto de β-(1-4)-D-xilopiranose, com uma variedade de cadeias
A composição e ligação das cadeias secundárias determinam o tipo específico de variação da xilana.
Removendo estas cadeias secundárias geralmente se eleva a taxa de degradação por enzimas endoxilanases
Os grupos laterais de xilanas podem ter um papel importante na ligação de ligninas com hemiceluloses.
Grupos secundários, especialmente substituintes acetilas, afetam propriedades físico-químicas e biodegradabilidade das hemiceluloses solúveis ou presas à matriz.
A acetilação aumenta a solubilidade do polissacarídeo em água, desfavorecendo o estado agregado.
Já a presença de ésteres ligados a resíduos de não-carboidratos faz com que as
60 Já a presença de ésteres ligados a resíduos de não-carboidratos faz com que as glucanases individuais não consigam liberar produtos de degradação uniforme, diminuindo a degradação enzimática dos polissacarídeos.
O termo “mananas” indica um polímero linear de resíduos com ligações β -(1-4)-glicosídeas de manopiranosila.
A estrutura e, logo, a degradação de mananas, são análogas à celulose.
61 No entanto, mananas são encontradas em apenas algumas plantas particulares. Sua estrutura pode ser ramificada com diferentes combinações de resíduos de glicose e galactose, dando origem às muito mais comuns: glicomananas,
CELULASE
Celulases são enzimas que constituem um complexo capaz de atuar sobre materiais celulósicos, promovendo sua hidrólise.
Estas enzimas são biocatalisadores altamente específicos que atuam em sinergia para a liberação de açúcares, dos quais glicose é o que desperta maior interesse industrial, devido à possibilidade de sua conversão em
62 maior interesse industrial, devido à possibilidade de sua conversão em
etanol.
Estas enzimas começaram a ser estudadas durante a Segunda Guerra Mundial.
A deterioração de fardas, barracas, bolsas e demais objetos dos
acampamentos, fabricados de algodão, chamou a atenção de soldados das forças armadas norte-americanas, instalados nas ilhas Solomon, no Pacífico Sul.
Algumas organizações, como a Quartermaster Corps, juntamente com as forças armadas, montaram laboratórios em busca de explicações e soluções
63 forças armadas, montaram laboratórios em busca de explicações e soluções imediatas para esse problema, que incluíam a detecção de organismos
agentes das deteriorações, seus mecanismos de ação e métodos de controle.
Como resultado das pesquisas, uma linhagem, codificada como QM6a, de um fungo filamentoso, identificado posteriormente como Trichoderma viride, foi isolada e a esta foi atribuída a característica de excretar enzimas capazes de degradar celulose.
Até 1953, já se haviam determinado que enzimas naturais, nomeadas celulases,
64 Até 1953, já se haviam determinado que enzimas naturais, nomeadas celulases, constituem complexos de diversas moléculas com distintas habilidades na
65 http://cthuang.bst.ntu.edu.tw/seminar/97slides/971Tze-Feng%20Tian-slides.pdf
A celulase é na verdade um complexo enzimático, cujas enzimas atuam sinergicamente e estão subdivididas em três classes:
a) endo-1,4-β-D-glucanases ou endoglucanases, que quebram as ligações glicosídicas das cadeias de celulose criando novos terminais
As enzimas do complexo celulolítico são hidrolases que clivam ligações O-glicosídicas, sendo classificadas pela Enzyme Comission (EC) com a codificação 3.2.1.x, onde o valor de x varia com a celulase avaliada.
66 T. L. Ogeda e D. F. S. Petri, Quim. Nova, 33 (2010) 1549
Figura: celulase compósita formada por três enzimas naturais
http://www.wikienergia.pt/~edp/index.php?title=Novas_enzimas_ quebram_celulose_em_condi%C3%A7%C3%B5es_e_temperatu ras_vari%C3%A1veis
b) exo-1,4-β-D-glucanases ou celobio-hidrolases, responsáveis pela ação nos terminais levando à celobiose
c) 1,4-β-D-glucosidades que hidrolisam a celobiose à glicose.
As endo-1,4-β-glucanases ou 1,4-β-D-glucana-4-glucano-hidrolases (EC 3.2.1.4) atuam
randomicamente nas regiões amorfas da celulose e de seus derivados, hidrolisando ligações glicosídicas β-(1,4).
67 Representação esquemática da ação catalítica do complexo enzimático (celulase) sobre
As endo-1,4-β-glucanases ou 1,4-β-D-glucana-4-glucano-hidrolases (EC 3.2.1.4) atuam
randomicamente nas regiões amorfas da celulose e de seus derivados, hidrolisando ligações glicosídicas β-(1,4).
68 Representação esquemática da ação catalítica do complexo enzimático (celulase) sobre
Sua atividade catalítica pode ser medida através da diminuição da viscosidade do meio decorrente da diminuição de massa molar média de celulose ou derivados de celulose.
As celobio-hidrolases (exo-1,4-β -D-glucanases, EC 3.2.1.91) atuam nos terminais redutores das cadeias de celulose, liberando D-celobiose, que pode ser detectada pelas técnicas de HPLC ou CG.
As celobio-hidrolases (exo-1,4-β -D-glucanases, EC 3.2.1.91) atuam nos terminais redutores das cadeias de celulose, liberando D-celobiose, que pode ser detectada pelas técnicas de HPLC ou CG.
As “β-D-glucosidases” ou β -D-glucoside gluco-hidrolases (EC 3.2.1.21) catalisam a liberação de unidades monoméricas de D-glicose a partir da celobiose e celodextrinas
solúveis.
A atividade catalítica pode ser medida através da análise dos produtos por
72 através da análise dos produtos por
HPLC ou CG, ou mesmo por espectrofotometria.
glicose celobiose
73 http://cthuang.bst.ntu.edu.tw/seminar/97slides/971Tze-Feng%20Tian-slides.pdf
74 V. Arantes e J. N. Saddler, Biotechnology
De várias maneiras, este sistema foi o sistema arquétipo desenvolvido de celulase.
O sistema da celulase de fungos foi largamente interpretado em termos de desenvolvimento substancial biológico molecular e bioquímico para o fungo Tricoderma reesei
Este foi o primeiro fungo a ser utilizado na produção industrial de celulase, permanecendo ainda como a fonte mais utilizada.
75 http://en.wikipedia.org/wiki/Tr ichoderma_reesei
desenvolvido de celulase.
Muito da pesquisa subsequente neste campo focou em mutação/seleção de melhores descendências para
comercialização da enzima, incluindo conversão em biomassa.
Além de celulases de fungos, há celulases produzidas por bactérias aeróbicas e anaeróbicas.
Nomenclatura, substratos, massa molar média ponderal (Mw), ponto isoelétrico (pI) e teores relativos das celulases produzidas pelo T. reesei.
A família diz respeito à classificação de enzimas com sequências
homólogas de
aminoácidos similares, as
76
d.d. - dados desconhecidos. a Abreviações entre parênteses correspondem à classificação das
famílias das glicosil hidrolases. b Substratos para os quais as celulases são ativas. CM-celulose
microcristalina (Avicel), CA-celulose amorfa, CMC-carboximetil celulose, HEC-hidroxietil celulose, CC-celulose cristalina, CB-celobiose, CT-celotriose.
quais geram estruturas tridimensionais e sítios ativos semelhantes e, portanto, mecanismos catalíticos semelhantes.
A arquitetura molecular das endoglucanases e celobio-hidrolases tem um papel importante nas respectivas atividades catalíticas.
Celobio-hidrolases CBHI apresentam terminais de pequenos glicopeptídeos, os quais se ligam à celulose e grandes núcleos proteicos que carregam o sítio ativo.
De fato, a maioria das endoglucanases e celobio-hidrolases consiste de um grande núcleo proteico e um pequeno domínio ligante de celulose unidos por sequências longas de aminoácidos (até ~60 resíduos).
O domínio ligante tem a função de aproximar o núcleo catalítico da superfície da celulose.
Os sítios ativos das endoglucases estão expostos para fora da enzima, enquanto os sítios ativos das celobio-hidrolases estão dentro de um túnel.
No caso da CBHI do T. reesei, um túnel de 50 Å de comprimento e 10 sítios ligantes de celulose garantem a permanência da celulose dentro do túnel, enquanto ocorre a hidrólise
A lignocelulose apresenta-se como um substrato ainda mais complexo para a ação da celulase do que celulose pura.
Há uma evidência clara de uma relação entre o conteúdo de lignina e a redução na hidrólise da celulose em substratos lignocelulósicos.
Portanto é imprescindível o uso de pré-tratamentos no material, com o intuito de aumentar sua susceptibilidade ao agente de interesse, pela remoção da lignina e
79 aumentar sua susceptibilidade ao agente de interesse, pela remoção da lignina e redução da cristalinidade da estrutura celulósica.
PRÉ-TRATAMENTOS DE BIOMASSA
Do ponto de vista tecnológico, os açúcares contidos nas frações
celulósica (glicose) e hemicelulósica (xilose, arabinose, glicose, manose e galactose) representam os substratos que podem ser utilizados para a produção de etanol por via fermentativa.
80 Entretanto, a íntima associação entre as três frações principais (celulose, hemicelulose e lignina) é tal que impõe dificuldades para a recuperação dos açúcares constituintes na forma de monômeros com elevado grau de pureza
81 Arquitetura da parede celular vegetal
L. Canilha, A. M. F. Milagres, S. S. Silva, J. B. Almeida e Silva, M. G. A. Felipe, G. J. M. Rocha, A. Ferraz e W. Carvalho, Revista Analytica, 44 (2009) 48.
A hidrólise da celulose à glicose em meio aquoso catalisado pelas enzimas celulase possui uma taxa de rendimento muito baixa
Uma das principais razões é a estrutura altamente cristalina da celulose, a qual dificulta o acesso do substrato aos sítios ativos.
A dificuldade aumenta também porque celulase adsorve fisicamente sobre ligninas.
82 ligninas.
Além disso, a lignina restringe a hidrólise, pois esconde a superfície celulósica impedindo o intumescimento das fibras.
Logo, torna-se necessária uma etapa de pré-tratamento, tanto a fim de quebrar a estrutura cristalina da lignocelulose quanto a fim de remover a
lignina, expondo as moléculas de celulose e hemicelulose à ação enzimática.
Normalmente, hidrólises enzimáticas possuem um rendimento de açúcar menor que 20%
Caso uma etapa de pré-tratamento seja utilizada, o rendimento pode alcançar até >90%.
Atualmente, há uma grande quantidade de processos de pré-tratamento disponíveis, podendo ser físicos, químicos, biológicos ou de fracionamento
83 disponíveis, podendo ser físicos, químicos, biológicos ou de fracionamento por solvente.
PRÉ-TRATAMENTO FÍSICO
As operações físicas de pré-tratamento são baseadas na redução do
tamanho da partícula através de moagem, aumentando a performance da enzima pelo aumento da área superficial e, em alguns casos, pela redução do grau de polimerização e cristalinidade da celulose.
84 T. L. Ogeda e D. F. S. Petri, Quim. Nova, 33 (2010) 1549
As principais tecnologias de pré-tratamento estão representadas junto aos pré-tratamentos químicos, incluindo pré-tratamentos ácidos, alcalinos ou oxidativos.
PRÉ-TRATAMENTO QUÍMICO (ÁCIDOS, ALCALINOS OU OXIDATIVOS)
85 oxidativos.
Neste tipo de processo, a maior parte dos pré-tratamentos difere nos tipos de química e mecanismos responsáveis pelas modificações estruturais e
químicas da parede celular, que resultam numa acessibilidade melhorada da enzima, além de rendimentos maiores.
Em pré-tratamentos catalisados por ácidos a camada de hemiceluloses é hidrolisada, enquanto que nos pré-tratamentos catalisados por bases, parte da lignina é removida e a hemicelulose tem que ser hidrolisada pelo uso de
hemicelulases.
Uma das tecnologias de pré-tratamentos mais amplamente implementada é a explosão a vapor, que tem sido aplicada com sucesso a diversos tipos de biomassa celulósica (madeiras macias e duras, além de resíduos agrícolas).
86 biomassa celulósica (madeiras macias e duras, além de resíduos agrícolas).
Esse processo pode ocorrer com ou sem a presença de catalisadores
químicos (ácido sulfúrico, dióxido de enxofre, hidróxido de sódio e amônia). Opera a altas temperaturas (160-290 ºC) e pressão, durante um certo
período de tempo (de alguns segundos até vários minutos), antes que a pressão seja liberada explosivamente.
Os pré-tratamentos biológicos normalmente utilizam fungos e algumas bactérias (actinomicetes).
Durante o processo, estes micro-organismos secretam enzimas
extracelulares como lignina peroxidases e lacases que ajudam a remover
PRÉ-TRATAMENTO BIOLÓGICO
87 extracelulares como lignina peroxidases e lacases que ajudam a remover
uma quantidade considerável de lignina da biomassa.
A empresa de pesquisa em biocombustíveis Mascoma Corporation
desenvolveu o bioprocessamento consolidado, no qual as celulases são produzidas pelo mesmo micro-organismo que fermenta os açúcares em etanol em uma única etapa.
PRÉ-TRATAMENTO POR TRATAMENTO COM SOLVENTE
A categoria de pré-tratamento de fracionamento por solvente aplica o conceito da solubilização diferencial.
Ocorre o fracionamento dos vários componentes da parede celular vegetal, incluindo a celulose, pelo rompimento das ligações de
88 vegetal, incluindo a celulose, pelo rompimento das ligações de
hidrogênio entre as microfibras.
Há muitos métodos disponíveis hoje em dia; os mais atraentes são os processos organosolv, fracionamento por ácido fosfórico e os
Uma comparação direta dos rendimentos resultantes de açúcar pelos métodos de pré-tratamento conhecidos é difícil devido às variações de como os rendimentos são relatados e quais açúcares estão incluídos.
89 As tabelas à seguir sumarizam’ as vantagens e desvantagens de
O uso de líquidos iônicos como meio para dissolução e hidrólise de biomassa caracteriza-se como um potencial pré-tratamento.
Líquidos iônicos são substâncias compostas de íons e líquidas (<100 ºC) à temperatura ambiente.
O interesse nestes compostos, comumente anunciados como o “meio
95 O interesse nestes compostos, comumente anunciados como o “meio
verde” e a “alta tecnologia do futuro”, está aumentando
Estes compostos possuem baixíssima pressão de vapor, estabilidade térmica, além das várias propriedades ajustáveis, como polaridade, hidrofobicidade e miscibilidade com solventes (pela modificação apropriada do cátion e do ânion).
Especialmente na química de carboidratos e polissacarídeos os líquidos iônicos vêm ganhando um espaço especial.
Por exemplo, alguns líquidos iônicos hidrofílicos como o cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio ([BMIM]Cl) e cloreto de 1-alil-3-(1-metil)imidazólio são excelentes solventes para celulose.
96 Cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio ([BMIM]Cl)
Todos os métodos afirmam que o material deve ser antes mecanicamente quebrado ou moído, a fim de aumentar a área superficial.
Duas rotas são frequentemente empregadas para a hidrólise. A primeira é o uso de hidrólise ácida e a segunda é a hidrólise enzimática do material pré-tratado.
HIDRÓLISE DE MATERIAL CELULÓSICO*
97 Em ambos os casos, há vários modos de operação; a escolha deve ser
baseada em:
a) qual o produto bruto que será usado
b) qual o organismo será usado para a fermentação dos açúcares liberados c) economia
Hemicelulose e celulose podem ser hidrolisadas a açúcares e fermentados microbianamente a vários produtos como o etanol, ou serem convertidas quimicamente em outros produtos.
As cadeias de hemicelulose são formadas por monômeros de arabinose ou xilose. A hidrólise da hemicelulose resulta em moléculas de arabinose ou xilose
98 A hidrólise da hemicelulose resulta em moléculas de arabinose ou xilose
(pentoses).
A hemicelulose também pode sofrer ataques a posições intermediárias ao longo de seu esqueleto, liberando oligômeros feitos de muitas moléculas de açúcares
Estes oligômeros podem ser sucessivamente quebrados em oligômeros ainda menores, antes que uma molécula de um simples açúcar possa ser formada Tal quebra pode ser catalisada por enzimas conhecidas como hemicelulases A quebra pode ainda ser catalisada por ácidos diluídos, utilizando temperaturas de 100-200 ºC. Neste caso formam-se produtos de degradação, mas os
rendimentos de açúcares de hemicelulose em solução são muito bons.
99 Apesar de tudo, a degradação dos açúcares liberados é baixa o suficiente para recuperar cerca de 80-90% do máximo possível de açúcares.
Por outro lado, operações sem a adição de ácido limitam a recuperação dos açúcares de hemicelulose para 65% ou menos, com a maioria na forma de oligômeros.
A hidrólise ácida
inicia com a
protonação do
Em água a hidrólise da celulose ocorre espontaneamente, porém, de forma bem lenta. Ácidos ou celulase catalisam a reação de água com moléculas de glucanas liberando mono, di e/ou trissacarídeos.
100 protonação do oxigênio glicosídico com posterior quebra da ligação C1–O.
O carbocátion gerado na etapa b é
estabilizado pela
Em água a hidrólise da celulose ocorre espontaneamente, porém, de forma bem lenta. Ácidos ou celulase catalisam a reação de água com moléculas de glucanas liberando mono, di e/ou trissacarídeos.
101 estabilizado pela deslocalização do par de elétrons existente sobre o oxigênio do anel glicosídico, adjacente a C1.
O ataque nucleofílico da água sobre C1 (etapa c) com
regeneração do ácido (etapas d-e) encerra a
Em água a hidrólise da celulose ocorre espontaneamente, porém, de forma bem lenta. Ácidos ou celulase catalisam a reação de água com moléculas de glucanas liberando mono, di e/ou trissacarídeos.
102 (etapas d-e) encerra a
etapa de
despolimerização (se esta ocorrer no interior da cadeia da celulose, gerando novos terminais) ou de produção de glicose (quando ocorre hidrólise diretamente nos terminais).
A hidrólise com ácido concentrado é feita a baixas temperaturas (cerca de 30 ºC) e resulta em rendimentos altos tanto de hexoses quanto de
pentoses (85-90% da teoria), causando apenas uma limitada quantidade de produtos de degradação de açúcares.
O uso de grandes quantidades de ácido necessita de uma recuperação eficiente do ácido.
103 Esta é uma das maiores desvantagens desde método, já que a
recuperação é um processo que demanda energia, além de ser uma etapa cara.
Além disso, a natureza corrosiva do ácido requer o uso de ligas caras na construção de canos e trocadores de calor.
Ácido diluído também foi usado com sucesso para a hidrólise de material lignocelulósico em escala comercial desde o começo de 1930 (o processo Scholler ou Madison de percolação).
O ácido mais comumente utilizado é o H2SO4, devido ao seu menor preço e poucos problemas com corrosão quando comparado ao, por exemplo, HCl.
104 O uso de concentrações baixas de ácido (<1%) demanda o uso de altas T (180-230 ºC) para alcançar taxas de reações aceitáveis na hidrólise da celulose, além de obter altos rendimentos de glicose.
Entretanto, em T elevadas, as pentoses da hemicelulose, e numa extensão menor as hexoses, são rapidamente degradadas.
A formação de produtos de degradação pode inibir a fermentação; portanto, a hidrólise com ácido diluído é dividida em duas etapas. 1) A hemicelulose, principalmente, é hidrolisada em condições menos severas com T em torno de 170-190 ºC, e concentrações de ácido de 0,5-1,2% (m/m).
2) Depois, os sólidos restantes são removidos e tratados sob T maior
105 2) Depois, os sólidos restantes são removidos e tratados sob T maior
na faixa de 200 a 230 ºC e em concentrações maiores de ácido (até 2,5% m/m).
Isto resulta em um rendimento total de 50-60% para a glicose e quase a 90% para açúcares da hemicelulose dos rendimentos teóricos.
Cadeias longas de celulose, quando aquecidas a altas T com H2SO4 diluído,
quebram grupos mais curtos de moléculas que liberam glicose e que, por sua vez, pode ser degradada a hidroximetil furfural.
Geralmente, a maior parte da celulose é cristalina, e condições extremas (altas T, altas concentrações de ácido) são necessárias para liberar glicose destas cadeias fortemente associadas.
Além disso, o rendimento aumenta com a T, chegando até 70% a 260ºC.
106 Entretanto, a geração de alcatrão e outros produtos secundários difíceis de lidar e o difícil controle do tempo de reação para rendimento máximo de glicose são grandes desafios comerciais.
A hidrólise ácida da hemicelulose é similar à da celulose, mas como ela é amorfa, condições menos severas são necessárias para liberar seus açúcares.
Vapor é injetado diretamente à biomassa para aquecê-la rapidamente, e o ácido acético contido nas cadeias de hemiceluloses pode gerar íons de hidrogênio para promover a hidrólise.
Apesar disso, neste caso, os rendimentos de açúcares de hemicelulose são
107 limitados a cerca de 65% do máximo possível.
Por outro lado, adicionar H2SO4 ou outros ácidos resulta em rendimentos mais altos e celulose mais digestiva a um preço menor.
Por exemplo, rendimentos de 80-90% dos açúcares podem ser recuperados da fração da hemicelulose com temperaturas em torno de 160 ºC, tempos de reação de cerca de 10 min e níveis ácidos de 0,7%
Além disso, aproximadamente 90% da celulose sólida restante pode ser digerida enzimaticamente para produzir glicose.
108 Estes altos rendimentos são vitais para baixos custos e têm motivado o uso de H2SO4 diluído na hidrólise ácida para aplicações a curto prazo.
Apesar de considerada inovadora, a hidrólise com H2SO4 diluído é cara; seu ambiente corrosivo demanda o uso de materiais de construção caros.
Além disso, produtos de degradação, como fragmentos de furfural e lignina, e compostos de biomassa solubilizada, como acido acético, devem ser
removidos por serem inibitórios para fermentação microbiana.
Industrialmente a conversão enzimática da celulose a etanol envolve
109
Industrialmente a conversão enzimática da celulose a etanol envolve operações de pré-tratamento para retirar ligninas e expor celulose e hemicelulose ao ataque da celulase.
Quando a hidrólise ocorre sequencialmente à fermentação a operação é designada de SHF - Separate Hydrolysis Fermentation.
O problema nesta operação é que a glicose e celobiose permanecem no mesmo meio que a celulose e celulase e estes mono e dissacarídeos inibem a ação da celulase.
Embora os rendimentos possam ser melhorados adicionando grandes
110 Embora os rendimentos possam ser melhorados adicionando grandes
quantidades de celulase, esta estratégia aumenta o custo do processo.
Para contornar este problema adiciona-se o micro-organismo fermentativo ao mesmo vasilhame onde estão sendo produzidos os açúcares.
Desta forma, glicose e celobiose são rapidamente fermentadas a etanol, reduzindo o acúmulo destes inibidores de celulase e de custos de
equipamentos e de produção de etanol.
A baixa concentração de glicose livre e a presença de etanol também fazem com que seja mais difícil para micro-organismos invasivos tomarem o
comando das reações de fermentação, formando produtos indesejáveis. Esta estratégia é conhecida como processo de sacarificação simultânea e
111 Esta estratégia é conhecida como processo de sacarificação simultânea e
fermentação, SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation). Embora a T do processo SSF tenha que ser reduzida abaixo do ótimo, o desempenho é melhor em termos de taxas, rendimentos e concentrações de etanol do que na hidrólise separada a altas T (que são ótimas para a hidrólise da celulose).
Industrialmente o uso de celulases ainda é proibitivo devido ao seu alto custo. De modo geral, a catálise enzimática deve combinar eficiência e baixo custo.
Uma maneira de fazer o processo enzimático economicamente viável é imobilizar enzimas sobre substratos sólidos, de tal forma que as propriedades catalíticas sejam mantidas, além de serem reutilizadas muitas vezes.
112 O grande desafio é que ao imobilizar a enzima, esta mantenha sua estrutura nativa.
A força motriz que dirige a adsorção de muitas proteínas e enzimas é o ganho entrópico devido às mudanças conformacionais, e a imobilização pode assim desnaturar as macromoléculas biológicas.
Em muitos casos, a imobilização sobre substratos hidrofílicos favorece a manutenção da estrutura nativa das biomoléculas, porque a camada de hidratação é mantida.
113 hidratação é mantida.
Este comportamento já foi observado para hexoquinase, enolase, fosfatase, creatina fosfoquinase, peroxidases.
Celulase tem sido imobilizada em diferentes substratos.
Celulase ligada covalentemente à superfície externa de lipossomos modificados com grupos aldeídos apresentou alta atividade enzimática. Celulase imobilizada sobre microesferas e esponjas de quitosana
puderam ser utilizadas 10 vezes consecutivas, e apenas depois de 8 (para microsesferas) e 9 (para esponjas) vezes é que foi observada perda de
114 microsesferas) e 9 (para esponjas) vezes é que foi observada perda de
50% da atividade relativa.
Celulase adsorvida sobre nanofibras de poli(álcool vinílico) apresentou atividade 65% superior à da enzima livre, sendo reutilizadas 6 vezes com perda de 64% da atividade inicial.
Celulase aderida sobre suportes de nylon ou quitina ou mesmo ligada covalentemente a espumas de poliuretano apresentou boa eficiência. A co-imobilização de celulase e glicose isomerase em partículas de poliestireno modificado com trimetilamina permitiu a conversão de celulose em glicose e frutose numa taxa molar de 60:40, retendo 50% da atividade inicial após 5 ciclos de uso.
115 Celulase adsorvida sobre lâminas de silício com camada nativa de SiO2
apresentou atividade 20% menor que a de celulase livre e pôde ser reutilizada 6 vezes sem perda de atividade catalítica.
Em geral, tanto celulases livres como imobilizadas apresentam maior atividade na faixa de temperatura de 60 a 70oC e pH entre 4,5 e 5.
O aquecimento pode favorecer a diminuição da cristalinidade e a mobilidade da água de hidratação, fatores que inibem a ação da celulase.
Simulações moleculares têm sido usadas para modelar a estruturação da água
116 Simulações moleculares têm sido usadas para modelar a estruturação da água adjacente a duas diferentes faces da celulose monoclínica e microcristalina.
Moléculas de água adjacente foram encontradas na primeira camada de
hidratação, devido às ligações de hidrogênio entre as hidroxilas das unidades
glicosídicas e à hidratação das superfícies hidrofóbicas resultantes dos átomos de hidrogênio alifáticos (C6) axiais do “topo” das unidades de monômeros de glicose. As camadas altamente estruturadas de água podem representar uma barreira
substancial à aproximação da celulase em direção à superfície (1,0,0) na hidrólise catalisada por enzimas, e pode inibir significantemente o escape de produtos
solúveis em hidrólise com ácido diluído, contribuindo para as taxas lentas de
117 solúveis em hidrólise com ácido diluído, contribuindo para as taxas lentas de hidrólise.
Já a face (1,1,0) induz muito menos estruturação e pode ser mais facilmente hidrolisada.
A remoção de hemicelulose aumenta o rendimento da hidrólise enzimática de celulose.
Ligninas também devem ser removidas porque celulase adsorve sobre elas e impede o intumescimento das fibras de celulose.
Todas as celulases principais do T. reesei têm aminoácidos hidrofóbicos expostos em sua superfície, que podem interagir com a superfície
hidrofóbica da lignina.
Este tipo de adsorção não específica de celulases pode causar inativação da enzima durante a hidrólise, reduzindo a eficiência do processo catalítico.
119 processo catalítico.
Uma forma de minimizar este tipo de adsorção não específica da celulase é a adição de surfactantes ao meio reacional.
Surfactantes não iônicos (como o Tween ou Triton) favorecem a hidrólise, enquanto que surfactantes carregados desfavorecem a hidrólise.
A biomassa é um material complexo.
Para a hidrólise de hemicelulose há enzimas específicas, como as xilanases ou mananases.
Entretanto, não se sabe como a ação destas hemicelulases afeta o desempenho das celulases.
120 Hemicelulases são produzidas por muitas espécies de bactérias e
fungos, assim como por várias plantas.
Muitos micro-organismos produzem um padrão múltiplo de
hemicelulases para degradar o material vegetal eficientemente.
Hoje, preparações de hemicelulases comerciais são obtidas a partir dos fungos Trichoderma ou Aspergillus geneticamente modificados.
Uma parte majoritária dos trabalhos publicados sobre hemicelulases lida com as propriedades e modos de ação, assim como com aplicações das xilanases.
Devido à sua natureza complexa, a hidrólise enzimática da xilana é mais complicada do que a maioria dos polissacarídeos vegetais, por causa das ramificações das cadeias.
Tipicamente, as ramificações das xilanas são removidas e depois o
121 Tipicamente, as ramificações das xilanas são removidas e depois o
esqueleto é despolimerizado.
Conforme os substituintes são removidos, a xilana pode se tornar menos solúvel e formar agregados que impedem estericamente a continuação da degradação.
A remoção simultânea dessas cadeias secundárias e a clivagem do esqueleto polimérico sinergicamente aumentam a taxa de degradação por enzimas endoxilanase.
