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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.11.2006.tde-20210104-192649
Document
Author
Full name
Rodrigo Setem Carvalho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2006
Supervisor
Title in Portuguese
Obtenção de Saccharomyces cerevisiae hexokinases-deficientes por cruzamento visando a produção de frutose e etanol à partir de cana-de-açúcar
Keywords in Portuguese
CANA-DE-AÇÚCAR
CRUZAMENTO
ETANOL
FRUTOSE
LEVEDURAS
PRODUÇÃO
SACAROSE
TRANSFORMAÇÃO GENÉTICA
Abstract in Portuguese
A frutose é o açúcar mais doce encontrado na natureza, sendo 1,8 vezes mais doce que a sacarose. Apesar do Brasil ser o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, açúcar e álcool, ele não é um tradicional produtor de frutose. A frutose consumida no Brasil é importada e chega a custar 30 vezes mais que a sacarose, em supermercados. A conversão da sacarose em produtos com maiores valores agregados é uma opção para a indústria açucareira. Enquanto alguns desses produtos já estão no mercado, outros possuem um mercado em potencial, destacando-se produtos da área de química fina e de alimentos. Como a sacarose, derivada da cana-de-açúcar, é formada por glicose + frutose, para produzir frutose à partir dela é necessário separar esses dois açúcares e como eles são isômeros de mesmo peso molecular, a sua separação é difícil. O aumento do teor de frutose é feito normalmente através de processos cromatográficos, que envolvem custos elevados e alta complexidade operacional, o que encarece o produto final, incentivando-se a busca de rotas alternativas para a separação dos açúcares. Uma técnica que vem sendo estudada com este propósito, é a fermentação seletiva, baseada na utilização de microrganismos. Neste trabalho, linhagens de Saccharomyces cerevisiae hexokinases-deficientes, modificadas geneticamente, mas não-transgênicas, obtidas por cruzamento, foram utilizadas para estudar a produção de etanol e frutose à partir de sacarose. Essas linhagens não possuem as hexokinases A e B ( enzimas que fosforilam glicose, manose e frutose ), e foram obtidas após o cruzamento entre as linhagens Acc nº : Y05867 (com bloqueio no gene HXK1, responsável pela produção da enzima hexokinase A) e Acc nº: Y14620 (com bloqueio do gene HXK2, responsável pela produção da enzima hexokinase B), ambas adquiridas da EUROSCARF. Essas linhagens apresentam crescimento em glicose mas não crescem em meio com frutose como única fonte de carbono. De 23 linhagens obtidas, três (UI, II e 13) foram selecionadas por apresentarem menor crescimento em meio YEPF. Este trabalho teve por finalidade avaliar o comportamento dessas linhagens em condições de fermentação, para tanto foram usados como substratos meios sintéticos com glicose, frutose e sacarose. Essas leveduras, em fermentação em meio de frutose (125,5 g.L-1) não consumiram esse açúcar nem produziram etanol, porém, quando a fonte de carbono utilizada foi a glicose (139, 1 g.L-1), esse açúcar foi completamente consumido em doze horas, sendo transfonnado em etanol (até 71 g.L-1). Utilizando-se meio de sacarose (180,3 g.L-1) em fermentações com reciclos de células, pode-se observar a tolerância dessas linhagens aos estresses provocados pelos reciclos fermentativos, onde houve produção de frutose (até 90 g.L-1) e etanol (até 42,3 g.L-1 ) em ciclos de doze horas, nos quais as leveduras hexokinases-deficientes conseguiram manter alto crescimento (até 51,2% de biomassa úmida) e viabilidade (até 77% de células viáveis) após 9 ciclos consecutivos. Em caldo de cana puro (com 263 g.L-1) de ART) e diluído (com 164 g.L-1) de ART) verificou-se a habilidade dessas leveduras em fermentar a glicose até etanol, com alta eficiência, deixando a frutose no meio. Quando o substrato utilizado foi melaço de cana-de-açúcar, notou-se que as leveduras foram hábeis em fermentar a glicose de melaços com até 406 g.L-1 de ART. Após a fermentação o etanol e a frutose puderam ser recuperados, sendo a frutose (obtida à partir do caldo de cana) submetida à análises fisico- químicas.
Title in English
Acquirement of Saccharomyces cerevisiae hexokinases-less by crossing aiming the production of fructose and ethanol from sugar cane
Keywords in English

Abstract in English
Fructose is the sweetest sugar found in nature, being 1.8 times sweeter than sucrose. Although Brazil is the greatest worldwide producer of sugar cane, sugar and alcohol, it isn't a traditional fructose producer. The fructose consumed in Brazil is imported and it can be 30 times more expensive than sucrose in the supermarkets. ln the other hands, the conversion of sucrose into products with higher aggregate values is an option for the sugar cane industry. While some of these products are already in the market, others, specially products in the area of fine chemistry and food, have a potential market. As sucrose, derivated from sugar cane, is formed by glucose + fructose, in order to produce fructose from itself it is necessary to separate these two sugars, and as they both are isomers of the sarne molecular weight, its separation is difficult. The increase of fructose content is done normally through difficult chromatographic techniques, which have a high price as well as a very complex operation, therefore rising the final price of the product, promoting the search for different ways in separating the sugars. A technique that is being studied with this purpose, is the selective fermentation, based in the usage of a microorganism. ln this study, hexokinases-less strains of S. cerevisiae, modified genetically, mas not transgenics, obtained by match, were used in order to study the production of ethanol and fructose from sucrose. These strains don't have A and B hexokinases ( enzymes that phosphorate glucose, manose and fructose ), and were obtained by crossing between the strains Acc number: Y05867 (strain with a blockage in gene HXKl, responsible for the production of hexokinase enzyme A) and Acc number: Y14620 (strain with a blockage in gene HXK2, responsible for the production of hexokinase enzyme B), both obtained from EUROSCARF. These strains present glucose growth but they don't grow in fructose as the sole source of carbon. From the 23 strains obtained, three (Ul, I1 and 13) were selected for presenting a smaller growth in YEPF. This study was done in order to evaluate these strains behavior in fermentation conditions, and for this reason it was used as substract synthetic medium with glucose, fructose and sucrose. These yeasts, in fermentation em medium of fructose (125,5 g.L-1 ) didn't consume these sugars neither produced ethanol, but, when the carbon source used was glucose (139,1 g.L-1) this sugar was completely consumed in twelve hours, being transformed into ethanol (until 71 g.L-1 ). Using sucrose medium (180.3 g. -1) in fem1entations with cell recycles, it could be observed a tolerance of these strains to the stresses incited by fermentative recycles, where there was a fructose production (until 90 g.L-1 ) and ethanol (until 42.3 g.L-1 ) in twelve hours cycles, in which the hexokinase-less yeasts were able to keep a high growth (until 51.2% of humid biomass) and viability (until 77% of viable cells) after 9 consecutive cycles. ln pure sugar cane juice (with 263 g.L-1 de ART) and diluted (with 164 g.L-1 de ART) one could see the ability of these yeasts in fermenting glucose until ethanol, highly efficient, leaving fructose in medium. When the substrate used was sugar cane molasses, one ould see that the yeasts were capable in fermenting molasses glucose up 406 g.L-1 of ART. After fermentation, ethanol and fructose could be recovered, being the fructose (obtained from sugar cane juice) submitted to physical-chemical analyses.
 
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Publishing Date
2021-01-07
 
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