Otimização da hidrólise da casca de arroz (Oryza sativa) e avaliação da capacidade de bioconversão deste hidrolisado a etanol e xilitol por leveduras

Abstract

Os resíduos lignocelulósicos agroindustriais, como a casca de arroz, são fontes abundantes e de baixo custo de celulose e hemicelulose, para produção biotecnológica de compostos de alto valor agregado, como os alcoóis, etanol e xilitol. O presente trabalho teve como objetivo otimizar a hidrólise ácida diluída da casca de arroz, utilizando como ferramenta o planejamento experimental, e ampliar os conhecimentos sobre a produção biotecnológica de etanol e xilitol, mediante o cultivo de microrganismos sobre esse hidrolisado. Um planejamento composto central 22 com três pontos centrais foi realizado abrangendo apenas as variáveis significativas para liberação de açúcares (temperatura e concentração de ácido). A máxima solubilização dos açúcares (70% de eficiência) foi obtida a 150ºC e 3 mmol H2SO4 g-1 sólido seco (SS), gerando cerca de 2,3 g L-1 de tóxicos totais (soma de inibidores ácido acético, furfural e hidroximetilfurfural). No entanto, é desejável que o hidrolisado contenha baixo teor de compostos tóxicos, já que estes podem comprometer a eficiência da fermentação. Sendo assim, a condição que empregou a temperatura de 129ºC e 4,4 mmol H2SO4 g-1 SS, apresentando 52% de eficiência na liberação de açúcares e apenas 0,18 g l-1 de inibidores, foi selecionada. Cultivos sobre meio semissintético e hidrolisado de casca de arroz, a 180 rpm e 30oC, foram realizados em agitador orbital, utilizando leveduras fermentadoras de hexoses e pentoses, como Saccharomyces cerevisiae, e Candida shehatae, Pichia stipitis e Spathaspora arborariae, respectivamente, em cultivos isolados e em co-cultivo. As cepas testadas isoladamente apresentaram valores de produtividade de etanol (YP/S) entre 0,35 e 0,46 g g-1, enquanto que o rendimento dos co-cultivos variou de 0,30 a 0,77 g g-1 de etanol, sobre ambos os meios. Cultivos foram conduzidos em biorreatores submersos utilizando S. cerevisiae, individualmente e em consórcio com S. arborariae sobre hidrolisado de casca de arroz (1 vvm de aeração e 300 rpm). O maior rendimento de etanol foi obtido no cultivo isolado de S. cerevisiae, com YP/S de 0,52 g g-1, enquanto que o co-cultivo apresentou um YP/S de 0,42 g g-1. Foi avaliado o desempenho do processo de sacarificação e fermentação simultânea sobre hidrolisado de casca de arroz não filtrado, associando um complexo enzimático (contendo celulases e xilanases) ao co-cultivo (S. cerevisiae - S. arborariae), este processo aumentou a produtividade de etanol em 26%.

Agroindustrial lignocellulosic residues such as rice hulls, are abundant resources and low cost of cellulose and hemicellulose, compounds for biotechnological production of high value by-products, such as alcohols, ethanol and xylitol. This study aimed to optimize the dilute acid hydrolysis of rice hull, using the experimental design tool and expand knowledge about the biotechnological production of ethanol and xylitol by cultivation of microorganisms on the hydrolysate. A 22 central composite design with three central points was carried out covering only the significant variables for the release of sugars (acid concentration and temperature). The maximum sugars solubilization (70% efficiency) was obtained at 150°C and 3 mmol H2SO4 g-1 dry solids (SS), generating about 2.3 g L-1 of toxic compounds (sum of acetic acid inhibitors, furfural and hydroxymethylfurfural). However, it is desirable that the hydrolysate contains low levels of toxic compounds, as these can compromise the efficiency of fermentation. Thus, the condition that used the temperature of 129°C and 4.4 mmol g-1 H2SO4 g-1 SS, with 52% efficiency in the release of sugars and only 0.18 g l-1 inhibitors, has been selected. Cultures on semi-synthetic medium and hydrolysate rice hull at 180 rpm and 30oC, were performed in shaker, using yeast that ferment hesoxes as Saccharomyces cerevisiae, and pentoses as Candida shehatae, Pichia stipitis and Spathaspora arborariae, in isolated cultures and co-cultivation. The strains tested alone showed ethanol yields coefficients values (YP/S) between 0.35 and 0.46 g g-1, while the yields of co-cultures varied from 0.30 to 0.77 g g-1 ethanol, on both media. Cultures were conducted in submerged bioreactors using S. cerevisiae, both individually and in consortium with S. arborariae on hydrolysate rice hull (1 vvm aeration and 300 rpm). The highest ethanol yield coefficient was obtained in the culture isolate of S. cerevisiae, with YP/S = 0.52 g g-1, while the co-culture showed YP/S of 0.42 g g-1. The performance of the simultaneous saccharification and fermentation process of rice hull hydrolysate (unfiltered), involving an enzyme complex (containing cellulases and xylanases) to co-cultivation (S. cerevisiae-S. arborariae), were evaluated, and this process increases the ethanol yield in 26%.