Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Jaciane Lutz Ienczak

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O principal material lignocelulósico brasileiro, bagaço de cana-de-açúcar, tem um grande potencial energético. Este material é composto de três polímeros principais: celulose (60-50%), hemicelulose (25-30%) e lignina (25-30%). O desenvolvimento de tecnologias para utilizar os carboidratos...

Resumo: O principal material lignocelulósico brasileiro, bagaço de cana-de-açúcar, tem um grande potencial energético. Este material é composto de três polímeros principais: celulose (60-50%), hemicelulose (25-30%) e lignina (25-30%). O desenvolvimento de tecnologias para utilizar os carboidratos obtidos a partir da hidrólise de celulose (glicose) e hemicelulose (xilose) para produzir bioetanol de segunda geração é promissor e muitos grupos de pesquisa fazem esforços para desenvolver este processo, visando elevar a produção de bioetanol por área de cultivo de cana-de-açúcar. Porém, a etapa de processamento do bagaço para disponibilização de açúcares gera compostos inibitórios ao metabolismo dos microrganismos, prejudicando a etapa seguinte de produção de bioetanol. Dentre os principais inibidores presentes no hidrolisado hemicelulósico estão os ácidos orgânicos fracos, como ácido acético e fórmico; produtos da degradação de pentose e hexoses, como furfural e 5-hidroximetilfurfural; e produtos provenientes da degradação da lignina, como os compostos fenólicos. O presente estudo teve como objetivo comparar o impacto de compostos inibitórios (presentes no hidrolisado hemicelulósico) no metabolismo de crescimento celular, de consumo de açúcares e de produção de bioetanol entre as leveduras Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 e Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907, visto que a formação de inibidores é intrínseca à obtenção do hidrolisado hemicelulósico e tratá-lo para retirada desses compostos adiciona etapas ao processo, tornando-o mais dispendioso e demorado. O trabalho objetivou ainda estabelecer estratégias de aprimoramento de parâmetros de processo, como a utilização de cepa adaptada e diferentes concentrações de biomassa iniciais como alternativas de viabilizar a fermentação do hidrolisado hemicelulósico. Baseando-se nos testes de resistência individual dos inibidores foram estabelecidas que concentrações de 2,5 g.L-1 de ácido acético e 2,0 g.L-1 de furfural são os valores limites que os hidrolisados hemicelulósicos podem conter para que se obtenha um desempenho satisfatório na fermentação com S. stipitis NRRL Y-7124. Para S. passalidarum NRRL Y-27907, concentrações de 0,5 g.L¬-1 de ácido acético, 1,0 g.L-1 de furfural, 3,0 g.L-1 de 5 HMF são os valores limites que as frações hemicelulósicas podem conter para que se obtenha um desempenho satisfatório na fermentação. O trabalho também demonstrou que uso de leveduras adaptadas durante o processo com açúcares de segunda geração resultou em melhor desempenho quando comparado com a linhagem não adaptada, observada no aumento da taxa de consumo de xilose em 32% e de 57% de aumento na taxa de produção de etanol em relação a levedura selvagem. Também foi observado que o aumento na concentração inicial de células no processo influencia positivamente o uso de hidrolisados contendo inibidor, uma vez que os meios fermentativos considerados não fermentescíveis (devido à baixa concentração de células usada no processo) tornaram-se viáveis para fermentações quando foram utilizadas densidades celulares elevadas. Quando se triplicou a concentração celular inicial, houve aumento de 5% em rendimento, resultando em aproximadamente 25 g.L-1 de etanol a mais no final do processo. Com base nos resultados, é possível estabelecer uma relação entre os inibidores e sua toxicidade para essas leveduras e compará-las entre si em relação ao seu desempenho fermentativo quando sujeitas à ação dos inibidores. O conhecimento detalhado do comportamento na presença destes compostos permite estabelecer estratégias de detoxificação do meio de fermentação e direcionamento dos microrganismos de acordo com seu grau de tolerância, objetivando processos fermentativos de maior desempenho

Abstract: The main Brazilian lignocellulosic material, sugarcane bagasse, has a great energetic potential. This material is composed of three main polymers: cellulose (60-50%), hemicellulose (25-30%) and lignin (25-30%).The development of technologies to use carbohydrates obtained from the...

Abstract: The main Brazilian lignocellulosic material, sugarcane bagasse, has a great energetic potential. This material is composed of three main polymers: cellulose (60-50%), hemicellulose (25-30%) and lignin (25-30%).The development of technologies to use carbohydrates obtained from the hydrolysis of cellulose (glucose) and hemicellulose (xylose) to produce second generation ethanol is promising and many research groups make efforts to develop this process, aiming at increasing the production of bioethanol by area of sugarcane cultivation. However, the stage of bagasse processing to produce sugar yields inhibitory compounds to the metabolism of the microorganisms, impairing the next stage of ethanol production. Among the main inhibitors present in the hemicellulosic hydrolysate are weak organic acids, such as acetic and formic acid; degradation products of pentose and hexoses, such as furfural and 5-hydroxymethylfurfural; and products from lignin degradation, such as phenolic compounds. The present study aims to compare the impact of inhibitory compounds present in the hemicellulosic hydrolysate on the metabolism of cell growth, sugar consumption and ethanol production among the yeasts Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 and Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907, since inhibitors formation is intrinsic to the hemicellulosic hydrolysate production and treating it for withdrawal of such compounds adds steps to the process, making it more expensive and time consuming. It also aims at establishing strategies to improve process parameters, such as the use of adapted strains and different concentrations of initial biomass as alternatives to enable the fermentation of the pentose fraction. Based on the individual inhibitors resistance tests it was established that concentrations of 2.5 g.L-1 of acetic acid and 2.0 g.L-1 of furfural are the limit values that the hemicellulosic hydrolysates may contain for performance satisfactory in fermentation with S. stipitis NRRL Y-7124. For S. passalidarum NRRL Y-27907, concentrations of 0.5 g.L-1 of acetic acid, 1.0 g.L-1 of furfural, 3.0 g.L-1 of 5-HMF are the limit values that the hemicellulosic fractions can contain to achieve a satisfactory performance in the fermentation. The work also demonstrated that the use of evolved yeasts during the process with second generation sugars resulted in better performance when compared to the unadapted strains, observed in the increase of the of consumption xylose rate by 32% and of a 57% increase in the ethanol production rate in relation to wild yeast. It has also been observed that the increase in the initial concentration of cells in the process positively influences the use of inhibitor-containing hydrolysates, since fermentative media considered non-fermentable (due to the low concentration of cells used in the process) have become viable for fermentations when high cell densities were used. When the initial cell concentration tripled, there was a 5% increase in yield, resulting in approximately 25 g.L-1 of more ethanol at the end of the process. Based on the results, it is possible to establish a relationship between the inhibitors and their toxicity to these yeasts and to compare them with each other in relation to their fermentative performance when subjected to the action of the inhibitors. The detailed knowledge of the behavior in the presence of these compounds allows the establishment of detoxification strategies of the fermentation medium and the targeting of the microorganisms according to their degree of tolerance, aiming at higher performance fermentative processes

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