Autor(es):
Pereira, Susana Raquel de Sousa 
Data: 2013
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/12134
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Engenharia química; Bioetanol; Fenóis; Indústria do papel
Descrição
A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a
nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma
redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades
da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a
produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é
produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas
usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento
de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou
uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos
independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de
matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os
subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os
licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima
promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da
madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos
SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de
árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas).
O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma
metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações
de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes
açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os
microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as
leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a
Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de
fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por
inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu
bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a
produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do
cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar
este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes.
Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o
fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos
industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação
do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo
sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz
quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos
como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta
desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi
atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de
0.17 g.g-1.
P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de
proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é
rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado
num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor
produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido
um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA
(1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial
para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição
humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol
após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas.
A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao
HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL
sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com
concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382
gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população
adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na
fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original
(PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de
6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a
capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas,
compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos
inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da
levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo
fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em
HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi
redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de
etanol decresceu. The fossil resources are declining while the requirements of modern
lifestyle for energy and materials are growing. Hence, the search for
sustainable alternatives to produce fuels and chemicals from non-fossil
feedstocks is increasing. Among all biofuels, ethanol is currently being
industrially produced from sugar-containing biomass such as sugarcane and
corn. The use of these raw-materials, belonging to human and animal feeding,
resulted in the rise of prices of food all over the world and, consequently, in
social disturbance.
The use of industrial by-products, raw-materials outside the food chain,
with polysaccharides hydrolysed to fermentable sugars, is an attractive
prospect for future biotechnologies. In this context, spent sulphite liquors
(SSLs), by-products from the pulp and paper industry, are promising feedstocks
for bioprocessing. The composition of SSLs depends on the type of wood used
by the pulp and paper industry (softwoods, hardwoods or mixture of both).
Hardwood spent sulphite liquor (HSSL) is a by-product from the pulp
and paper industry, rich in pentoses, which is not fully exploited for
bioprocessing. The sustainable fermentation of pentoses into bioethanol is a
challenge to overcome since not all the microorganisms are able to use these
sugars. Scheffersomyces stipitis is one of the most efficient yeast to naturally
ferment pentoses to ethanol. However, besides sugars (35-45 g.L-1), HSSL
contains microbial inhibitors that limit the possibility of its bioprocessing.
Therefore, the main purpose of this work was the production of bioethanol by S.
stipitis from HSSL of Eucalypt globulus. To accomplish this objective two
different strategies were studied.
The first one was the bio-detoxification of HSSL with the filamentous
fungus Paecilomyces variotii, known for growing in polluted residues. Two
fermentative approaches were compared, a single batch and a sequential
batch reactor (SBR). Biological treatment of HSSL to remove microbial
inhibitors was more efficient in the SBR. P. variotti was able to assimilate acetic
acid as well as low molecular weight phenolics such as, gallic acid and
pyrogallol, recognized yeast inhibitors. This bio-detoxified HSSL was subjected
to a successful fermentation by S. stipitis, attaining a maximum ethanol
concentration of 2.36 g.L−1 with a yield of 0.17 g.g−1. Moreover, the biomass
produced by P. variotii is a potential source of protein and other nutrients for
animal feeding. Hence, SCP production by P. variotii from HSSL was studied
using a SBR with and without mixed salts supplementation. The best approach
for SCP production was the SBR without salts addition. The biomass produced
presented 82.8 % of protein with 6 essential amino acids and 1.1 % of DNA.
Therefore the produced SCP could be considered a good candidate for animal
feeding and, eventually, human nutrition. This is a major advantage for a
biorefinary approach, since this bio-detoxification process and the SCP
production can be integrated with bioethanol production by S. stipitis.
The second strategy to produce bioethanol was to improve the tolerance
of S. stipitis in order to utilize the xylose present in HSSL without the removal of
inhibitory compounds. A continuous reactor with increasing HSSL
concentrations, between 20 % and 60 % (v/v) was operated during 382
generations of HSSL, at a dilution rate of 0.20 h-1. The resulting adapted
population (POP) showed improved fermentation behaviour in 60 % HSSL
when compared with the parental strain (PAR). POP achieved a maximum
ethanol concentration of 6.93 g.L-1, with a maximum ethanol yield of 0.26 g.g-1.
It was also showed that POP could assimilate dissolved lignin oligomers and
tannins probably through activating oxidative pathways. Moreover, preculturing
PAR in HSSL improved its tolerance towards the HSSL inhibitors and also the
yeast fermentation ability. Nevertheless, preculturing POP in HSSL, redirected
its metabolism to the assimilation of inhibitors, reducing the ethanol production. Doutoramento em Engenharia Química
