Studies Directed to the Optimization of Fermentation of Rhodococcus sp. DAP 96253 and Rhodococcus rhodochrous DAP 96622 by GENE KIRK DRAGO Under the Direction of George E. Pierce ABSTRACT Bench- and pilot plant scale fed-batch fermentations were performed in stirred-tank bioreactors (STBR) with Rhodococcus sp. DAP 96253 and R. rhodochrous DAP 96622 in an attempt to elucidate parameters that may affect the optimization of a fermentation process for high biomass production and high inducible expression of cobalt-high-molecular-mass nitrile hydratase (Co-H-NHase. The effects of these factors on amidase (AMDase) activity were also investigated. Biomass and NHase production were inhibited by a total addition of acetonitrile and acrylonitrile (AC / AN) at 500 ppm during a 48 h run. Biomass and enzyme activity were uncoupled when the inoculum mass was increased from 4 g (wet weight) to ¡Ý 19 g. Other factors that allowed for the uncoupling of biomass production from enzyme activity were the reduction of the AC / AN feed rate from a step-addition at 2500 ¦Ìl / min to a continuous addition at 80 ¨C 120 ¦Ìl / min, and the delay to 18 h post-inoculation the time of initial inducer addition. The inhibition of both biomass production and NHase activity was relieved when both the total concentration of AC / AN was reduced to ¡Ü 350 ppm and the AC / AN feedrate was reduced. The factors with the greatest influence were shown to be the inducer, the inducer concentration, inoculum mass and source as well as the major carbohydrate and nitrogen source. In addition, this lab is the first to report high AN-specific NHase induction by asparagine (1300 ppm) in a fed-batch fermentation system. Prior to this program, 250 mg of cells (wet weight) per liter could be provided in 4 ¨C 10 days with an activity of 1 U NHase per mg of cells (dry weight). Current production is > 50 g / L in 48 h with an NHase activity > 150 U / mg of dry cell weight. INDEX WORDS: Amidase, Asparagine, Biodetoxification, Fermentation, Nitrile, Nitrile Hydratase, Rhodococcus

As preocupações com o meio ambiente têm impulsionado o desenvolvimento de tecnologias verde para a produção de etanol de segunda geração (2G), com o intuito de aumentar a produção mundial de etanol e reduzir o uso de combustíveis fósseis. Além disso, o uso de processos biológicos para a obtenção de etanol 2G minimizam a geração de resíduos tóxicos e o uso de energia, reduzindo os custos do processo. O objetivo deste trabalho foi avaliar os processos de biodeslignificação do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) (etapa 1) e biodestoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar (HHBCA) (etapa 2) na produção de etanol celulósico e hemicelulósico. Inicialmente foi explorado o potencial de remoção de lignina presente no BCA por seis isolados fúngicos (JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-A12, JLS6-F6, JLS6-G4 and JLS6-H9) e uma cepa de Streptomyces (JLS3-C3), visando o aumento da acessibilidade aos açúcares fermentescíveis. Foram utilizados o planejamento fatorial fracionário 24-1 e o arranjo ortogonal de Taguchi L8 para avaliar o impacto de parâmetros físicos e nutricionais na atividade das enzimas hidrolíticas e ligninolíticas e transformação da lignina durante 21 dias. Como segundo passo foi utilizado o pré-tratamento com ácido diluído para a obtenção do HHBCA, rico em pentoses. Os parâmetros nuticionais para a biodestoxificação do HHBCA foram avaliados utilizando o modelo Box and Behnken 23. As cepas JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-F6 and JLS6-A12 apresentaram alta capacidade de síntese da enzima xilanase, que foi reduzida (de 30 U/mg para 5 U/mg) com o auxílio do planejamento fatorial fracionário 24-1 na condição otimizada (BCA moído e umedecido, pH 8,5, agitação de 100 rpm durante 14 dias). A cepa JLS6-A6 apresentou alto potencial de síntese da enzima manganês peroxidase, destacando-se entre as outras estirpes. A condição de sacarificação ótima identificada por meio do arranjo ortogonal de Taguchi foi pH 8,5 e BCA umedecido. O valor de YP/S obtido após a fermentação dos açúcares liberados a partir do BCA moído e pré-tratado (YP/S = 0,45 g de etanol celulósico/g) foi 2,14 vezes mais elevado do que o obtido para o BCA não moído e pré-tratado, e 1,29 vezes mais elevado do que o BCA moído e não pré-tratado durante o processo de sacarificação e fermentação simultâneas. A levedura Issatchenkia occidentalis Y1´a foi capaz de crescer no HHBCA não suplementado, utilizando ácido acético como fonte de energia. A etapa de fermentação (30oC, 150 rpm, 24 h) foi bem sucedida com uma produção volumétrica (YP/S) de 0,26 g de etanol hemicelulósico/g e produtividade (QP) de 0,14 g/Lh pela levedura Candida shehatae UFMG 52.2. Estes resultados confirmam o potencial de processos biológicos relacionados com a produção de etanol 2G. Além disso, JLS6-A6 e I. occidentalis Y1\'a são cepas promissoras no pré-tratamento biológico do BCA e destoxificação biológica do HHBCA, respectivamente. Desta forma, este trabalho contribuirá com o desenvolvimento da produção de etanol celulósico e hemicelulósico proporcionando a integração da produção do etanol de primeira e 2G. / Environmental concerns have driven the development of green technologies towards second-generation ethanol (2G) production in order to increase the global production of ethanol and to minimize usage of fossil fuels Furthermore, the use of biological processes through the steps required to obtain 2G bioethanol reduces the generation of residues, some of which are toxic to the environment, and the need for energy usage, reducing the overall costs of the process. The objective of this study was to evaluate the influence of the biodelignification of the sugarcane bagasse (SCB) (step 1) and the sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate (SCBHH) biodetoxification (step 2) for the production of cellulosic and hemicellulosic ethanol. Firstly, six fungal strains (JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-A12, JLS6-F6, JLS6-G4 and JLS6-H9) and one Streptomyces strain (JLS3-C3), were explored according to their potential for lignin removal from SCB during a biological pretreatment in order to increase the accessibility of fermentable sugars. Fractional factorial design 24-1 and Taguchi L8 orthogonal array were utilized to assess the impact of physical and nutritional parameters in the hydrolytic and ligninolytic enzymes activity and lignin transformation over 21 days of incubation. Secondly, SCB was subjected to diluted-acid pretreatment to obtain the SCBHH, rich in pentoses sugar. Nutritional parameters for biodetoxification of SCBHH were evaluated utilizing the Box and Behnken 23 design. The strains JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-F6 and JLS6-A12 showed a high capacity for synthesis of xylanase enzyme. The xylanase activity was significantly reduced (from a maximum of 30 U/mg to 5 U/mg) in the optimized condition (moistened SCB milled to 20 mesh size, pH 8.5, agitation 100 rpm for 14 days) determined with the fractional factorial design. The strain JLS6-A6 showed high potential for synthesis of manganese peroxidase enzyme and efficiency during SCB biodelignification, standing out among the other strains. The optimum saccharification conditions identified by Taguchi orthogonal array was moistened SCB and pH 8.5. The value of YP/S obtained after fermentation of the sugars released from pretreated milled SCB (YP/S = 0.45 g cellulosic ethanol/g) was 2.14 times higher than that obtained for pretreated unmilled SCB and 1.29 times higher than unpretreated milled SCB after the simultaneous saccharification and fermentation process. The yeast I. occidentalis Y1\'a was able to grow on unsupplemented SCBHH using acetic acid as an energy source during the biodetoxification process. The fermentation step (30oC, 150 rpm, 24 h) was successful with a volumetric yield (YP/S) of 0.26 g hemicellulosic ethanol/g and productivity (Qp) of 0.14 g/Lh by the yeast Candida shehatae UFMG 52.2. These results confirm the potential of biological processes related to the production of ethanol 2G. Furthermore, JLS6-A6 and I. occidentalis Y1\'a are promising strains for SCB biological pretreatment and SCBHH biological detoxification, respectively. Thus, this work will contribute to the development of cellulosic and hemicellulosic ethanol production, providing the integration of the production of the first and 2G ethanol.

As preocupações com o meio ambiente têm impulsionado o desenvolvimento de tecnologias verde para a produção de etanol de segunda geração (2G), com o intuito de aumentar a produção mundial de etanol e reduzir o uso de combustíveis fósseis. Além disso, o uso de processos biológicos para a obtenção de etanol 2G minimizam a geração de resíduos tóxicos e o uso de energia, reduzindo os custos do processo. O objetivo deste trabalho foi avaliar os processos de biodeslignificação do bagaço de cana-de-açúcar (BCA) (etapa 1) e biodestoxificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar (HHBCA) (etapa 2) na produção de etanol celulósico e hemicelulósico. Inicialmente foi explorado o potencial de remoção de lignina presente no BCA por seis isolados fúngicos (JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-A12, JLS6-F6, JLS6-G4 and JLS6-H9) e uma cepa de Streptomyces (JLS3-C3), visando o aumento da acessibilidade aos açúcares fermentescíveis. Foram utilizados o planejamento fatorial fracionário 24-1 e o arranjo ortogonal de Taguchi L8 para avaliar o impacto de parâmetros físicos e nutricionais na atividade das enzimas hidrolíticas e ligninolíticas e transformação da lignina durante 21 dias. Como segundo passo foi utilizado o pré-tratamento com ácido diluído para a obtenção do HHBCA, rico em pentoses. Os parâmetros nuticionais para a biodestoxificação do HHBCA foram avaliados utilizando o modelo Box and Behnken 23. As cepas JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-F6 and JLS6-A12 apresentaram alta capacidade de síntese da enzima xilanase, que foi reduzida (de 30 U/mg para 5 U/mg) com o auxílio do planejamento fatorial fracionário 24-1 na condição otimizada (BCA moído e umedecido, pH 8,5, agitação de 100 rpm durante 14 dias). A cepa JLS6-A6 apresentou alto potencial de síntese da enzima manganês peroxidase, destacando-se entre as outras estirpes. A condição de sacarificação ótima identificada por meio do arranjo ortogonal de Taguchi foi pH 8,5 e BCA umedecido. O valor de YP/S obtido após a fermentação dos açúcares liberados a partir do BCA moído e pré-tratado (YP/S = 0,45 g de etanol celulósico/g) foi 2,14 vezes mais elevado do que o obtido para o BCA não moído e pré-tratado, e 1,29 vezes mais elevado do que o BCA moído e não pré-tratado durante o processo de sacarificação e fermentação simultâneas. A levedura Issatchenkia occidentalis Y1´a foi capaz de crescer no HHBCA não suplementado, utilizando ácido acético como fonte de energia. A etapa de fermentação (30oC, 150 rpm, 24 h) foi bem sucedida com uma produção volumétrica (YP/S) de 0,26 g de etanol hemicelulósico/g e produtividade (QP) de 0,14 g/Lh pela levedura Candida shehatae UFMG 52.2. Estes resultados confirmam o potencial de processos biológicos relacionados com a produção de etanol 2G. Além disso, JLS6-A6 e I. occidentalis Y1\'a são cepas promissoras no pré-tratamento biológico do BCA e destoxificação biológica do HHBCA, respectivamente. Desta forma, este trabalho contribuirá com o desenvolvimento da produção de etanol celulósico e hemicelulósico proporcionando a integração da produção do etanol de primeira e 2G. / Environmental concerns have driven the development of green technologies towards second-generation ethanol (2G) production in order to increase the global production of ethanol and to minimize usage of fossil fuels Furthermore, the use of biological processes through the steps required to obtain 2G bioethanol reduces the generation of residues, some of which are toxic to the environment, and the need for energy usage, reducing the overall costs of the process. The objective of this study was to evaluate the influence of the biodelignification of the sugarcane bagasse (SCB) (step 1) and the sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate (SCBHH) biodetoxification (step 2) for the production of cellulosic and hemicellulosic ethanol. Firstly, six fungal strains (JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-A12, JLS6-F6, JLS6-G4 and JLS6-H9) and one Streptomyces strain (JLS3-C3), were explored according to their potential for lignin removal from SCB during a biological pretreatment in order to increase the accessibility of fermentable sugars. Fractional factorial design 24-1 and Taguchi L8 orthogonal array were utilized to assess the impact of physical and nutritional parameters in the hydrolytic and ligninolytic enzymes activity and lignin transformation over 21 days of incubation. Secondly, SCB was subjected to diluted-acid pretreatment to obtain the SCBHH, rich in pentoses sugar. Nutritional parameters for biodetoxification of SCBHH were evaluated utilizing the Box and Behnken 23 design. The strains JLS6-A6, JLS6-A7, JLS6-F6 and JLS6-A12 showed a high capacity for synthesis of xylanase enzyme. The xylanase activity was significantly reduced (from a maximum of 30 U/mg to 5 U/mg) in the optimized condition (moistened SCB milled to 20 mesh size, pH 8.5, agitation 100 rpm for 14 days) determined with the fractional factorial design. The strain JLS6-A6 showed high potential for synthesis of manganese peroxidase enzyme and efficiency during SCB biodelignification, standing out among the other strains. The optimum saccharification conditions identified by Taguchi orthogonal array was moistened SCB and pH 8.5. The value of YP/S obtained after fermentation of the sugars released from pretreated milled SCB (YP/S = 0.45 g cellulosic ethanol/g) was 2.14 times higher than that obtained for pretreated unmilled SCB and 1.29 times higher than unpretreated milled SCB after the simultaneous saccharification and fermentation process. The yeast I. occidentalis Y1\'a was able to grow on unsupplemented SCBHH using acetic acid as an energy source during the biodetoxification process. The fermentation step (30oC, 150 rpm, 24 h) was successful with a volumetric yield (YP/S) of 0.26 g hemicellulosic ethanol/g and productivity (Qp) of 0.14 g/Lh by the yeast Candida shehatae UFMG 52.2. These results confirm the potential of biological processes related to the production of ethanol 2G. Furthermore, JLS6-A6 and I. occidentalis Y1\'a are promising strains for SCB biological pretreatment and SCBHH biological detoxification, respectively. Thus, this work will contribute to the development of cellulosic and hemicellulosic ethanol production, providing the integration of the production of the first and 2G ethanol.

Este trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de um processo de destoxificação biológica do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar utilizando as leveduras Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 e Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098. Com este propósito, foi realizado testes com diferentes concentrações de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar e diferentes condições experimentais para avaliar a influência do fator de concentração e pH inicial do hidrolisado, temperatura e agitação do sistema, na eficiência da redução na concentração de compostos inibidores presentes no hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar, sem a redução na concentração de açúcares. As leveduras avaliadas apresentaram os maiores valores de redução na concentração dos inibidores e uma menor perda de açúcares quando utilizado o hidrolisado com fator de concentração 5. Nestes experimentos foram constatados que o aumento na concentração de D-glicose e D-xilose favoreceram o menor consumo destes açúcares por estas leveduras. Foi observado também que após 24 h de ensaio empregando a levedura I. occidentalis a redução na concentração de siringaldeído (66,67%) e ácido ferúlico (73,33%) foi maior quando destoxificado o hidrolisado concentrado. Entretanto, nestas mesmas condições ao empregar a levedura I. orientalis foi verificado uma redução maior na concentração de 5-hidroximetilfurfural (80%) e furfural (56,25%). Com base no potencial de redução destes compostos inibidores em hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar concentrado, foram realizados estudos para avaliar a influência do pH inicial do hidrolisado (4,0 a 7,0), temperatura (23 a 37°C) e agitação do sistema (100 a 300 rpm) na porcentagem de redução da concentração do total de inibidores, utilizando um planejamento fatorial 23 com 3 repetições no ponto central. De acordo com os resultados, verificou-se que independente do microrganismo utilizado como agente destoxificante do hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar a maior porcentagem de redução na concentração dos inibidores totais foi obtida ao empregar todos os fatores avaliados em seus níveis inferiores. Os resultados obtidos neste trabalho demonstraram o potencial das leveduras Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 e Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 como agentes destoxificantes de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar. / This work had as the main objective contribute for the development of a biological detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate using the Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 and Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 yeasts. With this aim, it was done tests with hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse in different concentrations and different experimental conditions to evaluate the influence of the hydrolysate concentration, icicial pH of the hydrolysate, temperature and system agitation, on the efficiency of concentration reduction of inhibitory compound present in the sugarcane bagasse hydrolysate, without sugar concentration reduction. The evaluated yeasts showed more redutction values on the the inhibitors concentration and less sugar losses when it was used the hydrolysate five fold concentrated. At these experimets it was found that the concentration rise of D-glucose and D-Xylose favored a lower sugar consumption by the yeasts. It was also observed that after 24 h of experiment using I. occidentalis yeast the reduction of syringaldehyde concentraction (66,67%) and ferulic acid concentration (73,33%) was higher when the concentrated hydrolysate was detoxified. However, under the same conditions using I. orientalis it was observed a higher reduction on the 5-hydroxymethylfurfural (80%) and furfural (56,25%). Based on the potential reducion of these inhibitors in concentrated sugarcane bagasse hydrolysate, it was performed studies to evaluate the influence of initial pH (4,0 or 7,0), temperature (23 to 37°C) and system agitation (100 to 300 rpm) on the reduction percentage of total inhibitors concentration, using a factorial experimental design 23 with three repetitions in the central point. According to the results, it was observed that independent of the microrganism used as detoxificant agent of the sugarcane bagasse hydrolysate, the largest reduction percentage of the total inhibitors concentration was obtained using all the factors evaluated in their low levels. The results obtained in this work showed the potential of the yeasts Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 and Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 asdetoxificant agent of hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse.

Este trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de um processo de destoxificação biológica do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar utilizando as leveduras Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 e Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098. Com este propósito, foi realizado testes com diferentes concentrações de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar e diferentes condições experimentais para avaliar a influência do fator de concentração e pH inicial do hidrolisado, temperatura e agitação do sistema, na eficiência da redução na concentração de compostos inibidores presentes no hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar, sem a redução na concentração de açúcares. As leveduras avaliadas apresentaram os maiores valores de redução na concentração dos inibidores e uma menor perda de açúcares quando utilizado o hidrolisado com fator de concentração 5. Nestes experimentos foram constatados que o aumento na concentração de D-glicose e D-xilose favoreceram o menor consumo destes açúcares por estas leveduras. Foi observado também que após 24 h de ensaio empregando a levedura I. occidentalis a redução na concentração de siringaldeído (66,67%) e ácido ferúlico (73,33%) foi maior quando destoxificado o hidrolisado concentrado. Entretanto, nestas mesmas condições ao empregar a levedura I. orientalis foi verificado uma redução maior na concentração de 5-hidroximetilfurfural (80%) e furfural (56,25%). Com base no potencial de redução destes compostos inibidores em hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar concentrado, foram realizados estudos para avaliar a influência do pH inicial do hidrolisado (4,0 a 7,0), temperatura (23 a 37°C) e agitação do sistema (100 a 300 rpm) na porcentagem de redução da concentração do total de inibidores, utilizando um planejamento fatorial 23 com 3 repetições no ponto central. De acordo com os resultados, verificou-se que independente do microrganismo utilizado como agente destoxificante do hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar a maior porcentagem de redução na concentração dos inibidores totais foi obtida ao empregar todos os fatores avaliados em seus níveis inferiores. Os resultados obtidos neste trabalho demonstraram o potencial das leveduras Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 e Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 como agentes destoxificantes de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar. / This work had as the main objective contribute for the development of a biological detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate using the Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 and Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 yeasts. With this aim, it was done tests with hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse in different concentrations and different experimental conditions to evaluate the influence of the hydrolysate concentration, icicial pH of the hydrolysate, temperature and system agitation, on the efficiency of concentration reduction of inhibitory compound present in the sugarcane bagasse hydrolysate, without sugar concentration reduction. The evaluated yeasts showed more redutction values on the the inhibitors concentration and less sugar losses when it was used the hydrolysate five fold concentrated. At these experimets it was found that the concentration rise of D-glucose and D-Xylose favored a lower sugar consumption by the yeasts. It was also observed that after 24 h of experiment using I. occidentalis yeast the reduction of syringaldehyde concentraction (66,67%) and ferulic acid concentration (73,33%) was higher when the concentrated hydrolysate was detoxified. However, under the same conditions using I. orientalis it was observed a higher reduction on the 5-hydroxymethylfurfural (80%) and furfural (56,25%). Based on the potential reducion of these inhibitors in concentrated sugarcane bagasse hydrolysate, it was performed studies to evaluate the influence of initial pH (4,0 or 7,0), temperature (23 to 37°C) and system agitation (100 to 300 rpm) on the reduction percentage of total inhibitors concentration, using a factorial experimental design 23 with three repetitions in the central point. According to the results, it was observed that independent of the microrganism used as detoxificant agent of the sugarcane bagasse hydrolysate, the largest reduction percentage of the total inhibitors concentration was obtained using all the factors evaluated in their low levels. The results obtained in this work showed the potential of the yeasts Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 and Issatchenkia orientalis CCTCC M 206098 asdetoxificant agent of hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse.