Author(s):
Guimarães, Pedro M. R. 
; Klein, Jaroslav ; Domingues, Lucília ; Teixeira, J. A.
Date: 2005
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/4685
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Subject(s): Fermentation; Lactose; Ethanol; Recombinant S. cerevisiae; Cheese whey; Fermentação; Lactose; Etanol; S. cerevisiae recombinante; Soro do queijo
Description
In recent years, there has been a growing interest in bioreactors utilizing immobilized
or flocculating cells in continuous process in order to improve the bioprocess productivity. One
of possible promising implementations of continuous flocculation yeast system is
bioremediation of cheese whey by means of alcoholic fermentation of lactose.
The aim of this work was to carry out a kinetic analysis of alcoholic fermentation of
lactose using strain NCYC869-A3/T1, a recombinant Saccharomyces cerevisiae flocculent strain
expressing both the LAC4 (coding for b-galactosidase) and LAC12 (lactose permease) genes of
Kluyveromyces lactis. Fermentations were performed in a 600 mL bubble column bioreactor,
with different initial lactose concentrations.
The lactose was completely consumed in all the fermentations. The maximum specific
growth rate was found to increase with initial lactose concentration, reaching its maximum at
20 g L-1 initial lactose (doubling time of about 2 h). At higher initial lactose concentrations,
specific growth rate decreased, indicating that the effect of substrate inhibition had become
significant.
The maximum ethanol concentration produced increased linearly when the initial
lactose concentration was increased between 5 and 200 g L-1. However, the ethanol yields
obtained were low (45 60% of the theoretical value), probably because of the high aeration
rates used. In shake-flask fermentations, in conditions of micro aeration, the yeast was unable
to completely consume 200 g L-1 initial lactose, producing a maximum of 57 g L-1 ethanol
(which is about the same concentration produced in the bioreactor from complete
consumption of 200 g L-1 lactose). Probably, the yeast has low ethanol tolerance and the
ethanol produced inhibits further lactose fermentation.
Ethanol productivity increased with increasing initial lactose concentration up to 150 g
L-1 (1.23 g L-1 h-1). Further increase in initial lactose to 200 g L-1 led to a slight decrease in
ethanol productivity. Recentemente, tem havido um interesse crescente em biorectores que utilizam células
imobilizadas ou floculantes em processos contínuos, para melhorar a productividade dos
bioprocessos. Uma das possíveis e promissoras aplicações de sistemas contínuos com células
de levedura floculante é a bioremediação do soro do queijo, através da fermentação alcoólica
da lactose.
O objectivo deste trabalho foi fazer uma análise cinética da fermentação alcoólica da
lactose utilizando a estirpe NCYC869-A3/T1, uma estirpe recombinante de S. cerevisiae
floculante que expressa os genes LAC4 (codifica a b-galactosidase) e LAC12 (permease da
lactose) de Kluyveromyces lactis. As fermentações foram feitas numa coluna de bolhas de 600
mL, com diferentes concentrações iniciais de lactose.
A lactose foi consumida completamente em todas as fermentações. A taxa específica
de crescimento máxima ampliou com o aumento da concentração inicial de lactose, atingindo
o valor máximo para uma concentração inicial de lactose de 20 g L-1 (tempo de duplicação de
aproximadamente 2 h). Com concentrações iniciais de lactose mais elevadas, a taxa específica
de crescimento diminuiu, indicando que o efeito da inibição pelo substrato se tornou
significativo.
A concentração máxima de etanol produzido ampliou linearmente com o aumento da
concentração incial de lactose entre 5 e 200 g L-1. Contudo, os rendimentos em etanol obtidos
foram baixos (45 60 % do valor teórico), provavelmente devido às elevadas taxas de
arejamento utilizadas. Em fermentações realizadas em matrazes agitados, em condições de
micro-arejamento, a levedura foi incapaz de consumir completamente uma concentração
inicial de lactose de 200 g L-1, produzindo um máximo de 57 g L-1 de etanol (aproximadamente
a mesma concentração produzida no biorector a partir do consumo completo de 200 g L-1 de
lactose). Provavelmente, a levedura tem uma baixa tolerância ao etanol, e o etanol produzido
inibiu a fermentação da lactose que restava.
A productividade em etanol ampliou com o aumento da concentração inicial de
lactose até 150 g L-1 (1.23 g L-1 h-1). O aumento da concentração inicial de lactose para 200 g
L-1 conduziu a um ligeiro decréscimo da productividade em etanol.
