Fermentação de xaropes artificiais constituídos de glicose e xilose e de hidrolisados enzimáticos de bagaço de cana-de-açúcar utilizando leveduras não convencionais e cocultivos - Rech, Fernanda Roberta (My University, 2017)
The agro-industrial lignocellulosic residues such as sugarcane bagasse can be used as feedstock in biotechnological production of value-added compounds such as ethanol and xylitol, due to its high cellulose and hemicellulose content. In the present work it was observed the ability of non-conventional yeasts to convert mixtures of glucose and xylose to second-generation ethanol and xylitol. Among them, one strain of Spathaspora hagerdaliae UFMG-CM-Y303 showed good bioconversion of xylose. This strain was grown in 5 L bioreactors under aerobiose and microaerophilic conditions, with the yields of ethanol (Y P/S) of 0.25 and 0.39 g.g-1 respectively. Microaerophilic conditions were tested with sugarcane bagasse enzymatic hydrolyzate and was obtained a Y P/S of 0.47 g.g-1 , near theoretical yields. This strain was used in co-cultures with Saccharomyces cerevisiae CAT-1 to evaluate the yeast growth dynamics, using a differential medium to distinguish the colonies of the two species. This methodology was efficient to evaluate the growth kinetics and which strain is predominant in fermentation. The study was initially performed on synthetic medium using flasks for pH and inoculum optimization and the best results were reproduced in 5 L bioreactors. Co-cultures were evaluated in sugarcane bagasse pretreated by steam explosion at 200 ºC for 8 min, under Separate Hydrolysis and co-Fermentation (SHF) and Hydrolysis Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF). The co-cultures were able to metabolize the xylose and glucose present in pretreated sugarcane bagasse to ethanol, reaching a final concentration of 15 g L -1 in bioreactor with 5 L of working volume in SSF conditions. Since S. hagerdaliae UFMG-CM-Y303 showed potential for producing ethanol, genetic variants of this strain that were capable of growing in synthetic medium containing xylose and 2-deoxyglucose were selected after being treated with ultraviolet (UV) light. One variant selected was subjected to selection pressure and studied for fermentation of mixtures of glucose and xylose in synthetic medium and medium containing sugarcane bagasse hydrolyzates, and xylose and glucose consumption and ethanol production were evaluated. The variant M13 showed ethanol production 36% and 68% higher than the parental strain in synthetic medium and medium containing sugarcane bagasse hydrolyzates, respectively.
Os resíduos lignocelulósicos agroindustriais, como o bagaço da cana-de-açúcar, podem ser usados como matéria-prima para a produção biotecnológica de compostos com valor agregado, como o etanol 2G e o xilitol, visto que esses materiais possuem grandes quantidades de celulose e hemicelulose. No presente trabalho, observou-se a capacidade de leveduras não convencionais de converterem misturas de glicose e xilose em etanol e xilitol. Entre as leveduras avaliadas, Spathaspora hagerdaliae UFMG-CM-Y303 apresentou a melhor conversão de xilose. Em cultivos em frascos sob condições de aerofilia e microaerofilia, os fatores de rendimento de etanol foram de 0,25 e 0,39 g.g-1 , respectivamente. Condições de microaerofilia foram testadas com hidrolisado enzimático de bagaço de canade-açúcar e obteve-se um fator de conversão de 0,47 g.g-1 , rendimentos próximos à conversão teórica. A mesma linhagem foi usada em cocultivos com Saccharomyces cerevisiae CAT-1 para avaliação da dinâmica de crescimento das leveduras, através do uso de um meio diferencial, para distinguir as colônias das duas linhagens. A metodologia possibilitou avaliar a cinética de crescimento e qual linhagem predomina na fermentação. O estudo foi realizado inicialmente com meio sintético, em Erlenmeyers, para a otimização dos parâmetros pH e quantidade inicial de células do inóculo, e os resultados mais promissores foram reproduzidos em biorreatores com 5 L de volume de trabalho. Os cocultivos foram avaliados também em hidrolisados enzimáticos de bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor a 200 ºC por 8 min, conduzidos sob condição de hidrólise e fermentação separadas (SHF) e hidrólise e fermentação simultâneas (SSF). O uso do cocultivo possibilitou a conversão de glicose e de xilose presentes no bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado a etanol, atingindo uma produção de 15 g.L -1 em biorreatores com volume de trabalho de 5 L na condição SSF. Como a linhagem S. hagerdaliae UFMG-CM-Y303 mostrou potencial para a produção de etanol 2G, foram selecionados variantes genéticos desta linhagem com capacidade de crescer em meio sintético contendo xilose e 2-deoxiglicose, após terem sido submetidos à mutagênese por radiação ultravioleta. Um variante selecionado foi submetido à pressão de seleção e estudado quanto à fermentação de misturas de glicose e de xilose em meio sintético e em meio formulado com hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar, sendo avaliados os consumos de xilose e de glicose e a produção de etanol. Um variante denominado M13 apresentou uma produção de etanol de 36% e 68% superior ao parental, em meio sintético e hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar, respectivamente.
Keywords: Lignocelulose; Biomassa; Álcool; Xilitol; Celulose; Hidrólise; Fermentação; Microbiologia industrial; Lignocellulose; Biomass; Alcohol; Xylitol; Cellulose; Hydrolysis