Veiga, María CarmenAyala Armijos, José Humberto2026-04-132026-04-132025https://hdl.handle.net/2183/47960[Resumen] La cáscara de arroz es un subproducto de la agroindustria arrocera, que se logra obtener del pelado del grano, representa alrededor del 20% del peso total. Este residuo está compuesto por celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa es un homopolisacarido compuesto por monómeros de D-glucosa y la hemicelulosa es un heteropolisacarido formado por pentosas y hexosas principalmente xilosa, arabinosa, mannosa y glucosa, los dos componentes principales de la cáscara de arroz representan aproximadamente el 75% del peso del material en base seca. La bioconversión enzimática de la cascara de arroz tiene como finalidad la hidrólisis de la celulosa y hemicelulosa para la producción de azucares fermentables principalmente glucosa y xilosa y posterior fermentación alcohólica para la obtención de etanol de segunda generación. El avance de la ingeniería genética ha permitido el uso de microorganismos modificados genéticamente los cuales producen enzimas con gran poder catalítico y gran especificidad, que en la actualidad son utilizados en procesos industriales como la biorefineria. La hidrólisis enzimática de la cáscara de arroz fue afectada por la cristalinidad de la celulosa, la recalcitrancia de la lignina y la presencia de compuestos inhibidores como el dióxido de silicio y la lignina que reducen la actividad enzimática de β-glucosidasa y la capacidad de hidrolizar celulosa y hemicelulosa a azucares fermentables. Una alternativa e este problema fue reducción del tamaño de partícula mediante trituración mecánica (≤ 250 μm), para deslignificar e hinchamiento de la muestra se aplicó procesos hidrotermicos y alcalinos. Se preparó una solución al 5% de cáscara de arroz molida y se calentó a 121°C por tres lapsos de tiempo (15, 30 y 45 minutos) y también se agregó hidróxido de sodio en tres concentraciones diferentes (0.5, 1 y 1.5%) y se agitó a 120 rpm por una hora, luego se ajustó a pH 4.8, se adiciono 30 FPU de enzima β-glucosidasa y se mantuvo a 50°C por 144 horas, la cuantificación de los azucares producidos se los realizo cada 24 horas. Para reducir la absorción de dióxido de silicio y lignina por parte de la enzima β-glucosidasa (Celluclast 1.5L) se adiciono polietilenglicol 1500 y 4000 en tres concentraciones (0.3, 0.4 y 0.5 g PEG/g SiO2), se calentó a 50°C durante 15 minutos, tiempo necesario para que ocurra la unión del dióxido de silicio y lignina con PEGs, luego II se adiciono 30 FPU de enzima y se calentó a 50°C durante 144 horas, la cuantificación de azucares fermentables se la realizo cada 24 horas. En los hidrolizados donde se aplicó pretratamiento hidrótermico a 121°C por 45 minutos se logró 85.93±0.79% de hidrólisis de celulosa a glucosa y 83.35±0.09% de hidrólisis de hemicelulosa a xilosa, que luego de 144 horas de fermentación alcohólica obtuvo 13.23 g L-1 de etanol y en hidrolizados donde fue pretratada con hidróxido de sodio al 1.5%, la celulosa se hidrolizó a glucosa en 81.7 ± 0.79% y la hemicelulosa a xilosa en 96,30 ± 0,30%, y luego de 144 horas de fermentación produjo 13.05 g L-1 de etanol. Los experimentos pretratados hidrotermicamente a 121 °C durante 45 minutos alcanzaron un promedio de 84.64 % de hidrólisis de holocelulosa y los pretratados con 1.5 % de NaOH alcanzaron un promedio de 89 % de hidrólisis de holocelulosa. Al añadir PEG 1500 a concentración de 0.5 g/g de SiO2, la conversión parcial de celulosa a celobiosa no aumentó significativamente (p ≥ 0.05); la conversión a glucosa fue del 41.76% y la conversión de hemicelulosa a xilosa fue del 93.45%, con respecto al control. La adición de PEG 4000 a 0.5 g/g de SiO2 mostró un aumento del 14.78 % en la hidrólisis de celulosa a celobiosa, del 56.59 % en celulosa a glucosa y del 93.24 % en hemicelulosa a xilosa. El experimento donde se adiciono 0.5 g PEG/g SiO2 alcanzó el mayor porcentaje de etanol (25.82 g*L), 60.49% más que el experimento de control, 12.81% más que con adición de 0.3 g PEG/g SiO2 y 6.15% más que con adición de 0.4 g PEG/g SiO2. La aplicación del pretratamiento alcalino al 1.5% incrementa la hidrólisis enzimática de la celulosa y hemicelulosa en 5% más con respecto al pretratamiento hidrótermico, en ambos hidrolizados se fermentan la totalidad de los azucares a etanol. La adición de PEG 4000 redujo el efecto inhibitorio por su capacidad enlazar al dióxido de silicio y la lignina, dejando libre el 96% de la enzima β-glucosidasa, para que hidrolice la holocelulosa a glucosa y xilosa y posterior eficiente fermentación alcohólica.[Resumo] A casca de arroz é un subproduto da agroindustria do arroz, que se obtén da pela do gran, representa arredor do 20% do peso total. Este residuo está composto por celulosa, hemicelulosa e lignina. A celulosa é un homopolisacárido formado por monómeros de D-glicosa e a hemicelulosa é un heteropolisacárido formado por pentosas e hexosas, principalmente xilosa, arabinosa, manosa e glicosa, os dous compoñentes principais das cascas de arroz que representan aproximadamente o 75% do peso do material. en base seca. A finalidade da bioconversión enzimática da casca de arroz é a hidrólise de celulosa e hemicelulosa para a produción de azucres fermentables, principalmente glicosa e xilosa, e a posterior fermentación alcohólica para obter etanol de segunda xeración. O avance da enxeñaría xenética permitiu a utilización de microorganismos modificados xeneticamente que producen encimas de gran poder catalítico e gran especificidade, que se utilizan actualmente en procesos industriais como a biorrefinería. A hidrólise enzimática da casca de arroz viuse afectada pola cristalinidade da celulosa, a recalcitración da lignina e a presenza de compostos inhibidores como o dióxido de silicio e a lignina que reducen a actividade enzimática da β-glucosidasa e a capacidade de hidrolizar. celulosa e hemicelulosa a azucres fermentables. Unha alternativa a este problema foi a redución do tamaño de partícula mediante moenda mecánica (≤ 250 μm), para deslignificar e inchar a mostra, aplicáronse procesos hidrotermais e alcalinos. Preparouse unha solución ao 5% de casca de arroz moída e quentouse a 121°C durante tres períodos de tempo (15, 30 e 45 minutos) e tamén se engade hidróxido de sodio en tres concentracións diferentes (0.5, 1 e 1.5%) e axituuse a temperatura ambiente. 120 rpm durante unha hora, despois axustouse a pH 4,8, engadíronse 30 FPU de enzima β-glucosidasa e mantívose a 50°C durante 144 horas, realizouse a cuantificación dos azucres producidos cada 24 horas. Para reducir a absorción de dióxido de silicio e lignina pola enzima β-glucosidasa (Celluclast 1.5L), engadíronse polietilenglicol 1500 e 4000 en tres concentracións (0.3, 0.4 e 0.5 g PEG/g SiO2), quentadas a 50°C para 15 minutos, o tempo necesario para que se produza a unión de dióxido de silicio e lignina con PEG, despois engadíronse 30 FPU de encima e quentáronse a 50°C durante 144 horas, a cuantificación dos azucres fermentables realizouse cada 24 horas. IV Nos hidrolizados nos que se aplicou o pretratamento hidrotérmico a 121°C durante 45 minutos, conseguiuse unha hidrólise de celulosa a glicosa nun 85,93±0,79% e unha hidrólise de hemicelulosa a xilosa nun 83,35±0.09%, que tras 144 horas de fermentación alcohólica obtivo 2.3 g*L-1 3. L-1 3.23 g 1 de etanol e nos hidrolizados onde foi pretratado con hidróxido de sodio ao 1.5%, a celulosa hidrolizouse a glicosa nun 81.7 ± 0.79% e a hemicelulosa a xilosa en 96.30 ± 0.30%, e despois de 1.053 horas de fermentación produciuse 4.05% g *L-1 de etanol. Os experimentos pretratados hidrotermalmente a 121°C durante 45 minutos alcanzaron unha media de hidrólise de holocelulosa do 84.64% e os pretratados con NaOH ao 1.5% acadaron unha media de hidrólise de holocelulosa do 89%. Ao engadir PEG 1500 a unha concentración de 0.5 g/g de SiO2, a conversión parcial de celulosa en celobiosa non aumentou significativamente (p ≥ 0.05); a conversión en glicosa foi do 41.76% e a conversión de hemicelulosa en xilosa do 93.45%, con respecto ao control. A adición de PEG 4000 a 0.5 g/g de SiO2 mostrou un aumento do 14.78% na hidrólise da celulosa á celobiosa, do 56.59% da celulosa á glicosa e do 93.24% da hemicelulosa á xilosa. O experimento no que se engadiron 0.5 g de PEG/g de SiO2 alcanzou a maior porcentaxe de etanol (25.82 g*L), un 60.49% máis que o experimento control, un 12.81% máis que coa adición de 0.3 g de PEG/g de SiO2 e un 6.15% máis. que coa adición de 0.4 g de PEG/g de SiO2. A aplicación do pretratamento alcalino ao 1.5% aumenta a hidrólise enzimática de celulosa e hemicelulosa nun 5% máis con respecto ao pretratamento hidrotermal, en ambos hidrolizados todos os azucres fermentan a etanol. A adición de PEG 4000 reduciu o efecto inhibidor debido á súa capacidade de unirse ao dióxido de silicio e á lignina, deixando libre o 96% do encima β-glucosidasa, polo que hidroliza a holocelulosa a glicosa e xilosa e a posterior fermentación alcohólica eficiente.[Abstract]The rice husk is a by-product of the rice agro-industry, which is obtained from the peeling of the grain, it represents around 20% of the total weight. This residue is composed of cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose is a homopolysaccharide made up of D-glucose monomers and hemicellulose is a heteropolysaccharide made up of pentoses and hexoses, mainly xylose, arabinose, mannose and glucose, the two main components of rice hulls representing approximately 75% of the weight of the material. on a dry basis. The purpose of the enzymatic bioconversion of rice husk is the hydrolysis of cellulose and hemicellulose for the production of fermentable sugars, mainly glucose and xylose, and subsequent alcoholic fermentation to obtain second generation ethanol. The advance of genetic engineering has allowed the use of genetically modified microorganisms which produce enzymes with great catalytic power and great specificity, which are currently used in industrial processes such as biorefinery. The enzymatic hydrolysis of rice hull was affected by the crystallinity of cellulose, the recalcitrance of lignin and the presence of inhibitory compounds such as silicon dioxide and lignin that reduce the enzymatic activity of β-glucosidase and the ability to hydrolyze. cellulose and hemicellulose to fermentable sugars. An alternative to this problem was particle size reduction by mechanical grinding (≤ 250 μm), to delignify and swell the sample, hydrothermal and alkaline processes were applied. A 5% solution of ground rice husk was prepared and heated at 121°C for three periods of time (15, 30 and 45 minutes) and sodium hydroxide was also added in three different concentrations (0.5, 1 and 1.5%) and stirred at 120 rpm for one hour, then it was adjusted to pH 4.8, 30 FPU of β-glucosidase enzyme were added and it was kept at 50°C for 144 hours, the quantification of the sugars produced was carried out every 24 hours. To reduce the absorption of silicon dioxide and lignin by the β-glucosidase enzyme (Celluclast 1.5L), polyethylene glycol 1500 and 4000 were added in three concentrations (0.3, 0.4 and 0.5 g PEG/g SiO2), heated to 50° C for 15 minutes, the time necessary for the union of silicon dioxide and lignin with PEGs to occur, then 30 FPU of enzyme were added and heated at 50°C for 144 hours, the quantification of fermentable sugars was carried out every 24 hours. VI In the hydrolyzates where hydrothermal pretreatment was applied at 121°C for 45 minutes, 85.93±0.79% hydrolysis of cellulose to glucose and 83.35±0.09% hydrolysis of hemicellulose to xylose was achieved, which after 144 hours of alcoholic fermentation obtained 13.23 g L-1 of ethanol and in hydrolyzates where it was pretreated with 1.5% sodium hydroxide, the cellulose was hydrolyzed to glucose in 81.7 ± 0.79% and the hemicellule to xylose in 96.30 ± 0.30% , and after 144 hours of fermentation produced 13.05 g L-1 of ethanol. Experiments hydrothermally pretreated at 121 °C for 45 minutes reached an average of 84.64% holocellulose hydrolysis and those pretreated with 1.5 % NaOH reached an average of 89 % holocellulose hydrolysis. When adding PEG 1500 at a concentration of 0.5 g/g of SiO2, the partial conversion of cellulose to cellobiose did not increase significantly (p ≥ 0.05); the conversion to glucose was 41.76% and the conversion of hemicellulose to xylose was 93.45%, with respect to the control. The addition of PEG 4000 to 0.5 g/g SiO2 showed an increase of 14.78% in the hydrolysis of cellulose to cellobiose, 56.59% of cellulose to glucose and 93.24% of hemicellulose to xylose. The experiment where 0.5 g PEG/g SiO2 was added reached the highest percentage of ethanol (25.82 g*L-1), 60.49% more than the control experiment, 12.81% more than with the addition of 0.3 g PEG/g SiO2 and 6.15% more than with the addition of 0.4 g PEG/g SiO2. The application of the 1.5% alkaline pretreatment increases the enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose by 5% more with respect to the hydrothermal pretreatment, in both hydrolysates all the sugars are fermented to ethanol. The addition of PEG 4000 reduced the inhibitory effect due to its ability to bind to silicon dioxide and lignin, leaving 96% of the β-glucosidase enzyme free, so that it hydrolyzes the holocellulose to glucose and xylose and subsequent efficient alcoholic fermentation.spaOs titulares dos dereitos de propiedade intelectual autorizan a visualización do contido desta tese a través de Internet, así como a súa reprodución, gravación en soporte informático ou impresión para o seu uso privado e/ou con fins de estudo e de investigación. En ningún caso se permite o uso lucrativo deste documento. Estes dereitos afectan tanto ao resumo da tese como ao seu contido Los titulares de los derechos de propiedad intelectual autorizan la visualización del contenido de esta tesis a través de Internet, así como su reproducción, grabación en soporte informático o impresión para su uso privado o con fines de investigación. En ningún caso se permite el uso lucrativo de este documento. Estos derechos afectan tanto al resumen de la tesis como a su contenidoRice huskEthanolSaccharomyces cerevisiaeHydrolysisCellulaseEtanolCasca de arrozHidróliseCelulaseCáscara de arrozCelulasaHidrólisisdoctoral thesisembargoed access