Bioprocesso a partir de culturas isoladas e mistas com as leveduras Kluyveromyces marxianus e Spathaspora passalidarum para produção de etanol

Abstract

Na produção de bioetanol de segunda geração a consolidação dos processos de sacarificação e fermentação no mesmo biorreator, assim como o uso de microrganismos capazes de converter o total dos açúcares hexoses e pentoses em etanol, são considerados pontos chave na otimização dos processos com biomassa lignocelulósica e seus rendimentos fermentativos. Com o objetivo de desenvolver um bioprocesso consolidado co-fermentativo de glucose e xilose para produção de etanol, neste trabalho foi proposto o desenvolvimento de culturas mistas, inicialmente com a bactéria celulolítica Acetivibrio thermocellus, e numa segunda etapa com as leveduras Kluyveromyces marxianus e Spathaspora passalidarum fermentadoras de glucose e xilose em etanol. Na etapa inicial de estudo, em culturas individuais de A. thermocellus foi identificada uma alta complexidade nos meios de cultura que podem desafiar uma futura implementação do processo no nível industrial, por tanto a bactéria não foi considerada para o desenvolvimento de culturas mistas. No entanto na etapa de estudo com leveduras co-fermentadoras, onde diversas linhagens de K. marxianus e S. passalidarum foram testadas sob temperaturas de 25°C, 30°C e 38 °C de incubação, encontrou-se que uma maior temperatura pode estimular a rota oxidoredutiva da xilose. Foi registrado que em culturas sob 38 °C com S. passalidarum CBS 10155 o consumo de glucose e xilose foi de 1,3 g(L.h-1) e 0,98 g(L.h-1) respectivamente, apresentando um maior rendimento na produção de etanol, de 0,58 g(L.h-1) em contraste com os 0,48 g(L.h-1) produzidos sob 30 °C de incubação. Para a levedura K. marxianus CBS 6556 também foi registrado um aumento na velocidade de consumo dos açúcares sob 38 °C, porém com maior rendimento na liberação de xilitol de 0,41 g(L.h-1) do que na produção de etanol 0,30 g(L.h-1). Por tanto, uma terceira etapa de estudo foi desenvolvida avaliando culturas mistas de K. marxianus e S. passalidarum. Considerando a presença dos dois açúcares como recursos limitantes e as capacidades metabólicas das duas espécies, foi avaliada a competição por recursos entre K. marxianus CBS 6556 - S. passalidarum CBS 10155 e K. marxianus CCT 6498 - S. passalidarum CBS 10155 empregando o modelo matemático de Lotka-Volterra. No uso do modelo matemático, testes de laboratório validaram seu uso para prever tanto o comportamento dos microrganismos como sua produção de etanol num sistema de cultura mista.

In the production of second-generation ethanol, the consolidation of saccharification and fermentation process in the same bioreactor, as well as the use of microorganisms capable to converting total hexose and pentose sugars into ethanol, are considered key points in the optimization of processes with lignocellulosic biomass and their fermentative yields. In order to develop a co-fermentative consolidated bioprocess of glucose and xylose for ethanol production, this study proposed the development of mixed cultures, initially using the cellulolytic bacterium Acetivibrio thermocellus, and in a second stage, with glucose and xylose fermenting yeasts Kluyveromyces marxianus and Spathaspora passalidarum. At the initial stage of the study, with individual cultures of A. thermocellus, it was identified a high complexity of the media culture that may challenge a future implementation of the process at the industrial level, and therefore the bacterium was not considered for the development of mixed cultures. However, at the stage with co-fermenting yeasts, where several strains of K. marxianus and S. passalidarum were tested at temperatures of 25°C, 30°C and 38°C of incubation, it was found that higher temperatures can stimulate the oxido-reductive pathway of xylose. It has been reported that in cultures under 38 °C with S. passalidarum CBS 10155 the consumption of glucose and xylose was 1.3 g(L.h-1) and 0.98 g(L.h-1) respectively, the higher yield in ethanol production of 0.58 g.(L.h-1) was obtained, in contrast to the 0.48 g(L.h-1) produced under 30°C of incubation. The K. marxianus CBS 6556 strain was also metabolically stimulated at 38 °C to consume the two sugars with fast metabolism, but with a higher yield in xylitol of 0.41 g(L.h-1) than in the production of ethanol 0.30 g(L.h-1). A third stage of study was carried out evaluating mixed cultures of K. marxianus and S. passalidarum. Considering the presence of the two sugars as limiting resources and the metabolic capacities of the two species, the competence for resources between K. marxianus CBS 6556 - S. passalidarum CBS 10155 and K. marxianus CCT 6498 - S. passalidarum CBS 10155 using the Lotka-Volterra mathematical model. In the mathematical model, laboratory tests have confirmed its use to predict the behavior of microorganisms and their ethanol production in a mixed culture system.