Orientadores: Aline Carvalho da Costa, Jaciane Lutz Ienczak

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

Resumo: Frente à instabilidade de microrganismos geneticamente modificados na aplicação industrial para produção de etanol a partir de biomassas lignocelulósicas (etanol de segunda geração), a utilização de cepas nativas ganha destaque, tendo em vista que seu desenvolvimento é mais simples e mais...

Resumo: Frente à instabilidade de microrganismos geneticamente modificados na aplicação industrial para produção de etanol a partir de biomassas lignocelulósicas (etanol de segunda geração), a utilização de cepas nativas ganha destaque, tendo em vista que seu desenvolvimento é mais simples e mais barato. Sendo assim, leveduras naturalmente capazes de fermentar pentoses provenientes de material lignocelulósico são desejadas, destacando-se a levedura Spathaspora passalidarum. Esse microrganismo é classificado como Crabtree negativo, requerendo condições específicas de disponibilidade de oxigênio no meio de cultura para favorecer o consumo de substrato e a produção de etanol, através da re-oxidação de coenzimas que atuam na via bioquímica para a metabolização da xilose. Sabendo-se que uma das formas de se mensurar a concentração de oxigênio dissolvido no meio fermentativo é através do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa), a determinação de valores ótimos de kLa para este microrganismo se torna um importante aspecto a ser estudado para otimização da produção de etanol, uma vez que diferentes valores empregados fornecerão diferentes valores de potencial de oxirredução (ORP), alterando a atividade das enzimas XR (xilose redutase) e XDH (xilitol desidrogenase). Dessa forma, o presente trabalho foi desenvolvido para fornecer uma investigação detalhada e abrangente sobre a influência da disponibilidade de oxigênio na capacidade fermentativa da levedura nativa S. passalidarum, estabelecendo-se uma correlação com o potencial de oxirredução, em que o objetivo principal é a determinação de uma faixa de valores de kLa ótima para maximização da produção de etanol. Além disso, foi realizado um estudo da atividade das enzimas XR e XDH frente às diferentes condições de oxigenação empregadas nas fermentações. Com os resultados deste trabalho, foi possível observar que a levedura S. passalidarum requer níveis de aeração controlados para otimizar o processo fermentativo, sendo que, em condições de anaerobiose, foi registrado baixo título (19,75 g.L-1) e baixa produtividade volumétrica (0,39 g.L-1.h-1), além de elevada concentração de açúcares redutores não metabolizados ao fim de 48h de processo (38,81 g.L-1). Em contrapartida, em completa aerobiose, a rota metabólica foi completamente desviada para o crescimento celular, não sendo registrada formação de etanol. Para as diferentes condições de microaeração, a produção de etanol foi, aproximadamente, 1,5 vezes maior quando comparada à anaerobiose, além de apresentar uma produtividade volumétrica entre 0,58 e 1,12 g.L-1.h-1. Ou seja, a elevação do oxigênio dissolvido está diretamente relacionada com a elevação das velocidades de consumo e de formação, acelerando o processo fermentativo. Para o maior kLa (45 h-1), todo açúcar disponibilizado para a levedura (aproximadamente 90 g.L-1) foi metabolizado em 24 h, metade do tempo requerido para um coeficiente de aeração menor (como é o caso do kLa 8 h-1), sem causar variações significativas em rendimentos. A disponibilidade de O2 também afetou a atividade enzimática, bem como a preferência da enzima XR por determinada coenzima. Quando somente a via fermentativa estava ativa, a XR não apresentou preferência. Entretando conforme a via era desviada para o metabolismo oxidativo, a preferência por NADH aumentou. No caso da propagação celular (condição de aeração e via oxidativa ativa), a preferência foi por NADPH. Devido ao O2 atuar como aceptor final de elétrons, sua presença influenciou na estabilização das faixas de potencial de oxirredução, uma vez que o caráter redutor do meio é diminuído, sendo que as maiores velocidades de formação de etanol foram registradas em faixas de potencial redox próximas a -100 mV

Abstract: Due to the instability of genetically modified microorganisms in industrial application for the production of ethanol from lignocellulosic biomasses (second-generation ethanol), the use of native strains is a potential alternative, since its development is simpler and cheaper. Thus, yeasts...

Abstract: Due to the instability of genetically modified microorganisms in industrial application for the production of ethanol from lignocellulosic biomasses (second-generation ethanol), the use of native strains is a potential alternative, since its development is simpler and cheaper. Thus, yeasts that are naturally capable of fermenting pentoses from lignocellulosic material are desired, which is the case of Spathaspora passalidarum. This microorganism is classified as a negative Crabtree yeast, requiring specific conditions of oxygen availability in the culture medium to favor substrate consumption and ethanol production, through the re-oxidation of coenzymes that act in the biochemical pathway of xylose metabolism. Since one of the ways to measure dissolved oxygen concentration in the fermentation medium is through the volumetric oxygen transfer coefficient (kLa), the determination of optimal kLa values for this microorganism becomes an important aspect to be studied for optimization of ethanol production, since different values will provide different values of oxidation potential (ORP), affecting the activity of the enzymes XR (xylose reductase) and XDH (xylitol dehydrogenase). Therefore, the present work was developed to provide a detailed and comprehensive investigation on the influence of oxygen availability on the fermentative capacity of the native yeast S. passalidarum, establishing a correlation with the oxireduction potential, with the main objective to determine a range of kLa values to maximize ethanol production. In addition, a study of the activity of XR and XDH in function of oxygen availability was carried out. With the results of this work, it was possible to observe that the yeast S. passalidarum requires controlled aeration levels to optimize the fermentation process. Under anaerobic conditions, a low etanol titer (19,75 g.L-1) and a low volumetric productivity (0.39 g.L-1.h-1) were registered as a consequence of the high concentration of non-metabolised reducing sugars after 48 h of the process (38.81 g.L-1). On the other hand, in complete aerobiosis, the metabolic pathway was completely diverted to cell growth, with no formation of ethanol. For the different microaeration conditions, the ethanol production was approximately 1.5 times higher when compared to the anaerobiosis, besides presenting a volumetric productivity between 0.58 and 1.12 g.L-1.h-1. Thus, the increase of the dissolved oxygen is directly related to the elevation of consumption and formation rates, accelerating the fermentative process. For the highest kLa (45 h-1), all the available sugar (approximately 90 g.L-1) was metabolized within 24 h, half of the time required for a lower aeration coefficient (kLa 8 h-1), without causing significant variations on yields. The availability of O2 also affected the enzymatic activity, as well as the preference of XR for a certain coenzyme. When only the fermentation route was active, XR showed no preference. As the pathway was diverted to oxidative metabolism, the preference for NADH increased. In the case of cell propagation (complete aeration condition and active oxidative pathway), the preference was for NADPH. As O2 acts as final electron acceptor, its presence influenced on the stabilization of the oxireduction potential bands, since the reducing character of the medium is decreased, and the higher rates of ethanol formation were recorded on a range of ORP values aroung -100 mV

Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDF