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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.97.2016.tde-14092016-173907
Document
Author
Full name
Bruno Guedes Fonseca
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Lorena, 2014
Supervisor
Committee
Roberto, Inês Conceição (President)
Canettieri, Eliana Vieira
González, José Manuel Domínguez
Gurpilhares, Daniela de Borba
Medeiros, Maria Bernadete de
Title in Portuguese
Avaliação das condições do tratamento biológico de hidrolisados hemicelulósicos visando melhorar a produção de etanol por Scheffersomyces (Pichia) stipitis
Keywords in Portuguese
biotratamento
Etanol
hidrolisado hemicelulósico de palha de arroz e poda de oliveira
Saccharomyces cerevisiae.
Scheffersomyces (Pichia) stipitis
Abstract in Portuguese
O presente estudo teve como principal objetivo avaliar a capacidade de Saccharomyces cerevisiae em metabolizar os compostos tóxicos presentes em hidrolisados hemicelulósicos de palha de arroz (HHPA) e de poda de oliveira (HHPO), visando a obtenção de hidrolisados com menor grau de toxicidade para Pichia stipitis. Após determinada a composição dos hidrolisados (açúcares e compostos tóxicos) foi avaliado o nível de concentração do HHPA capaz de inibir o metabolismo de P. stipitis. Em seguida, foi avaliado o efeito do tempo, concentração de S. cerevisiae, pH e aeração sobre a composição destes hidrolisados, tendo como resposta a fermentabilidade de P. stipitis. Nas condições otimizadas do biotratamento, as fermentações de P. stipitis foram conduzidas em frascos agitados e em biorreator, e as respostas avaliadas foram o consumo de D-xilose, fator de conversão de substrato em etanol (YP/S) e produtividade volumétrica em etanol (QP). Os ensaios de biotransformação destes hidrolisados, assim como do meio sintético (MS), o qual mimetizou o teor de açúcares e compostos tóxicos presentes no HHPA, mostraram que as modificações na composição destes meios foram dependentes do tempo de tratamento. Durante o tratamento, a levedura S. cerevisiae foi capaz de consumir apenas a D-glicose com baixas produções de etanol glicerol e ácido acético. Além disso, no HHPA e MS o 5-HMF e furfural foram quase que totalmente assimilados (> 90%), com formação de baixos teores de ácido furóico. Nestes meios, S. cerevisiae converteu parcialmente os ácidos ferúlico (15%) e p-cumárico (20%), sendo observado apenas produto de conversão do ácido ferúlico (álcool vanilil). A vanilina foi completamente assimilada em MS, porém, em HHPA foi constatado um residual do composto (42%), sendo o álcool vanilil o principal produto de conversão. Em relação ao HHPO foi observada assimilação de 47% de furanos totais e 11% de fenólicos totais, não sendo identificados produtos de conversão. Os resultados da fermentação de P. stipitis em HHPA mostraram que o tratamento biológico por 6 horas favoreceu o consumo de D-xilose e a produção de etanol, indicando que este parâmetro é um importante fator a ser considerado. Nestas condições, o consumo de D-xilose foi de 57% com produção de 9 g/L de etanol (YP/S = 0,18 g/g e QP = 0,086 g/L.h). Os resultados da fermentação do HHPO apresentaram valores inferiores de YP/S (0,14 g/g) e QP (0,060 g/L.h) quando comparados ao HHPA, o que indica um maior grau de toxicidade deste hidrolisado. Em relação ao MS, verificou-se que o biotratamento favoreceu em aproximadamente 40% o consumo de D-xilose e a produção de etanol por P. stipitis, quando comparado com o MS não-tratado. As melhores condições de concentração de S. cerevisiae (5 g/L), pH (3,0) e fator de aeração (6,5) definidas no HHPA através de um planejamento experimental, proporcionou um consumo de 67% de D-xilose por P. stipitis, com produção de 13,5 g/L de etanol (YP/S = 0,24 g/g e QP = 0,15 g/L.h). Na fermentação em biorreator, P. stipitis foi capaz de consumir totalmente a D-xilose, produzindo 23 g/L de etanol, após 44 horas. Com base nestes resultados, pode-se concluir que o tratamento dos hidrolisado hemicelulósicos com S. cerevisiae é uma técnica promissora capaz de diminuir o grau de toxicidade destes meios com consequente melhoria em sua fermentabilidade, especialmente na velocidade de produção de etanol.
Title in English
Evaluation of biological treatment conditions of hemicellulosic hydrolysates aiming to improve ethanol production by Scheffersomyces (Pichia) stipitis
Keywords in English
biotreatment
Ethanol
hemicellulosic hydrolysate
Saccharomyces cerevisiae
Scheffersomyces (Pichia) stipitis
Abstract in English
The aim of this work was to study the ability of Saccharomyces cerevisiae to metabolize a variety of toxic compounds found in rice straw (RSHH) and olive tree pruning (OTHH) hemicellulosic hydrolysates, in order to obtain hydrolysates with lower toxicity for Pichia stipitis. After determined the hydrolysate composition (sugar and toxic compounds) was evaluated the RSHH concentration level able to inhibit the P. stipitis metabolism. Then, the effect of time, S. cerevisiae concentration, pH and aeration on the hydrolysates composition was evaluated, and the fermentation was used as response. Under optimized conditions of biotreatment, P. stipitis fermentations were conducted in shake flasks and in bioreactor. In relation to the biotransformation assays of these hydrolysates, as well as synthetic medium (SM), with the same sugar and toxic compounds concentrations found in RSHH, the results showed that changes in the media compositions were dependent on the treatment time. During the treatment, S. cerevisiae consumed only D-glucose with low ethanol, glycerol, and acetic acid production. Furthermore, in SM and RSHH media, 5-HMF and furfural were almost completely assimilated (> 90 %), with low levels of furoic acid formation. In these media, S. cerevisiae partially converted ferulic acid (15%) and p-coumaric acid (20%), being observed only the conversion product of ferulic acid (vanillyl alcohol). Vanillin was totally assimilated in SM, however a residual of this compound (42%) was observed in RSHH, being vanillyl alcohol the main conversion product. Regarding OTHH was observed the assimilation of total furans (47%) and total phenolic (11%), and no conversion products were identified. The results from the P. stipitis fermentation in RSHH showed that biotreatment for 6 hours favored D-xylose consumption and ethanol production, indicating that this parameter is an important factor to be considered. In these conditions, D-xylose consumption was 57% with 9 g/L ethanol production (YP/S = 0.18 g/g QP = 0.086 g/Lh). The results of OTHH fermentation showed lower YP/S (0.14 g/g) and QP (0.060 g/L.h ) compared to RSHH, which indicates a higher degree of toxicity in OTHH. Regarding SM, the biotreatment increased D-xylose consumption and ethanol production by P. stipitis in approximately 40%, when compared with untreated-SM. The most suitable conditions of S. cerevisiae concentration (5 g/ L), pH (3.0) and the aeration factor (6.5) defined in RSHH through an experimental design, provided 67% of D-xylose consumption, and 13.5 g/L ethanol production by P. stipitis (YP/S = 0.24 g/g QP = 0.15 g/L.h). In bioreactor, P. stipitis was able to completely consume D-xylose, producing 23 g/L ethanol after 44 hours. Based on these results, it can be concluded that previous treatment of hemicellulose hydrolysates with S. cerevisiae is a promising technique capable of reducing the toxicity degree of RSHH and OTHH, with consequent improvement in their fermentability, especially on ethanol production rate.
 
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Publishing Date
2016-09-14
 
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