Produção de etanol de segunda geração por leveduras isoladas da biodiversidade brasileira : engenharia de biorreatores e estratégias de fermentação

Abstract

A exploração da biodiversidade de leveduras e o aperfeiçoamento do processo fermentativo são estratégias que podem gerar avanços que permitam a viabilização industrial da produção de etanol de segunda geração. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo aprofundar o conhecimento sobre as leveduras recentemente prospectadas da biodiversidade brasileira com capacidade de fermentar a glicose e xilose em etanol, bem como, desenvolver estratégias de fermentação de hidrolisados resultantes do tratamento ácido e tratamento enzimático da mistura 1:1 de casca de aveia com casca de soja buscando aperfeiçoar a produção de etanol a partir destes substratos. Na primeira etapa deste estudo, a capacidade de fermentação dos hidrolisados da mistura de casca de aveia com casca de soja pela levedura, recentemente prospectada, Spathaspora hagerdaliae UFMG-CM-Y303 foi avaliada em fermentações em biorreator de tanque agitado e o efeito do oxigênio na conversão da glicose e xilose em etanol foi investigado. Três diferentes condições de aeração do meio de cultura foram testadas (anaerobiose, 0,5 vvm e 1 vvm). Limitações na capacidade de fermentação dos açúcares foram observadas nas culturas em anaerobiose e os parâmetros de produção de etanol se mostraram dependentes da condição de aeração aplicada e da concentração de açúcar do hidrolisado. Os rendimentos de conversão ao etanol (YEtOH/S) variaram de 0,23 até 0,40 g•g-1 e as produtividades volumétricas(QP) variaram de 0,06 até 0,22 g•(L•h)-1. Na segunda etapa do estudo, a fermentação dos hidrolisados da mistura de casca de aveia com casca de soja foi testada em agitador rotacional, biorreator de tanque agitado e biorreator de células imobilizadas utilizando uma ampla diversidade de leveduras dos gêneros Spathaspora, Scheffersomyces, Sugiymaella e Candida, além de uma linhagem de Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificada para fermentar glicose e xilose em etanol. Altos rendimentos de conversão ao etanol foram atingidos com a levedura Sp. passalidarum UFMG-CM-469 tanto em microaerofilia (0,42 g•g-1) quanto em anaerobiose (0,43 g•g-1), superando, até mesmo, os rendimentos de Sp. hagerdaliae UFMG-CM-Y303 mostrados na etapa anterior. Aumentos consideráveis na produtividade volumétrica foram atingidos com células de Sp. passalidarum UFMG-CM-469 imobilizadas em LentiKats® fermentando os hidrolisados suplementados com extrato de levedura cru, atingindo 0,30 g•(L•h)-1 na fermentação do hidrolisado resultante do tratamento ácido e 0,29 g•(L•h)-1 na fermentação do hidrolisado resultante do tratamento enzimático. A estabilidade das células imobilizadas em LentiKats® foi testada em fermentações sequenciais de hidrolisados e o desempenho fermentativo se manteve estável por mais de 250 horas de fermentação. Na terceira etapa do estudo, Sp. passalidarum UFMG-CM-469, a levedura que conferiu os melhores resultados ao longo deste trabalho, foi testada em fermentação com células imobilizadas em LentiKats® em biorreator fluidizado e de leito fixo em cultura contínua na taxa de diluição de 0,05 h-1. O biorreator fluidizado mostrou melhores parâmetros fermentativos (YEtOH/S e QP) operando em cultura contínua na taxa de diluição de 0,05 h-1. Aumentos na taxa de diluição do biorreator fluidizado (0,1 e 0,2 h-1) em cultivo contínuo geraram altos valores de produtividade volumétrica de etanol, atingindo 1,69 g•(L•h)-1 na fermentação do hidrolisado resultante do tratamento ácido e 2,74 g•(L•h)-1 na fermentação do hidrolisado resultante do tratamento enzimático.

The exploration of yeast biodiversity and the improvement of the fermentation process are strategies that can generate advances that allow the industrial viability of second generation ethanol production. In this context, the present work aimed to deepen the knowledge of recently prospected yeasts from Brazilian biodiversity with the ability to ferment glucose and xylose into ethanol, as well as developing fermentation strategies of hydrolysates resulting from acid treatment and enzymatic treatment of the 1:1 mixture of oat hull and soybean hull, seeking to improve the production of ethanol from these substrates. In the first step of this study, the fermentation capacity of hydrolysates from the mixture of oat hull and soybean hull by the recently prospected yeast, Spathaspora hagerdaliae UFMG-CM-Y303 was evaluated in fermentations in a bioreactor stirred tank and the effect of oxygen on conversion of glucose and xylose to ethanol was investigated. Three different aeration conditions of the culture medium were tested (anaerobiosis, 0.5 vvm and 1 vvm). Limitations in the fermentation capacity of sugars were observed in anaerobic cultures and the parameters of ethanol production were shown to be dependent on the applied aeration condition and on the sugar concentration of the hydrolysates. The conversion yields to ethanol (YEtOH/S) ranged from 0.23 to 0.40 g•g-1 and the volumetric productivity (QP) ranged from 0.06 to 0.22 g•(L•h)-1 . In the second stage of the study, the fermentation of hydrolysates from the mixture of oat hull and soybean hull was tested in a rotational shaker, bioreactor stirred tank and immobilized cell bioreactor using a wide variety of yeasts from the genera Spathaspora, Scheffersomyces, Sugiymaella and Candida, in addition to a strain of Saccharomyces cerevisiae genetically modified to ferment glucose and xylose into ethanol. High yields of conversion to ethanol were achieved with the yeast Sp. passalidarum UFMG-CM-469 both in microaerophilic (0.42 g•g-1) and in anaerobiosis (0.43 g•g-1), even surpassing the yields of Sp. hagerdaliae UFMGCM- Y303 shown in the previous step. Considerable increases in volumetric productivity were achieved with cells immobilized of Sp. passalidarum UFMG-CM-469 in LentiKats® fermenting the hydrolysates supplemented with raw yeast extract, reaching 0.30 g•(L•h)-1 in the fermentation of the resulting hydrolysate of the acid treatment and 0.29 g•(L•h)-1 in the fermentation of the hydrolysate resulting from the enzymatic treatment. The stability of cells immobilized on LentiKats® was tested in sequential fermentations of hydrolysates and fermentation performance was stable for over 250 hours of contínuous fermentation. In the third stage of the study, Sp. passalidarum UFMG-CM-469, the yeast that gave the best results throughout this work, was tested in fermentation with cells immobilized in LentiKats® in a fluidized and packed-bed, in continuous culture in the dilution rate 0.05 h-1. The fluidized bioreactor showed better fermentation parameters (YEtOH/S and QP) operating in contínuous culture at a dilution rate of 0.05 h-1. Increases in the fluidized bioreactor dilution rate (0.1 and 0.2 h-1) in contínuous cultivation generated high values of volumetric ethanol productivity, reaching 1.69 g•(L•h)-1 in the fermentation of the resulting hydrolysate of the acid treatment and 2.74 g•(L•h)-1 in the fermentation of the hydrolysate resulting from the enzymatic treatment.