Made available in DSpace on 2017-05-12T14:47:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Danielle_ Camargo.pdf: 2743019 bytes, checksum: bb99b3949e2803b846be4f0bae327172 (MD5) Previous issue date: 2016-02-12 / Ethanol is considered a promising alternative to fossil fuels and causes less environmental impact, which implies an increase in the consumption of biofuel. To meet this demand, research has been conducted with alternative raw materials to complement the production of first generation ethanol. In Brazil, sweet sorghum is being studied for the expansion of sugarcane industry due to its rapid growth and the possibility of cultivating it during the season-cropping of sugarcane. However, during processing of sweet sorghum for ethanol production, generation of bagasse occurs, a material composed primarily of cellulose and hemicellulose, which can be considered a potential source of feedstock for bioprocesses. Therefore, the purpose of this study was the use of the sugars from the hemicellulose and the cellulosic fractions of the sweet sorghum bagasse, for the production of second generation ethanol by pentoses and hexoses fermentation yeasts, respectively. After chemical characterization of sorghum bagasse of six cultivars, they were subjected to mild acid hydrolysis with variations in temperature (111; 115 °C and 121), time (40, 50, and 60 min) and concentration of sulfuric acid (075; 1.25 and 1.75% w/v) using a central composite design (DCC) and response surface to find the condition that is conducive to high concentrations of sugars and less toxic compounds in the hemicellulosic hydrolysate. After the hydrolysate was concentrated and detoxified, it was submitted to fermentation by the yeast Schefferosomyces stipitis in a bioreactor at 30 °C, with kLa 4.9 h-1, pH 5.5 and volume of 4.5 liters. The solid biomass (cellulignin) that resulted from the acid treatment was submitted to evaluation of the percentage of cellulose, hemicellulose and lignin and then to studies with variation in the concentration of NaOH (1; 2.5 to 4%) and time (20, 40 and 60 min). After the treatment with the best condition of removal of lignin, cellulosic biomass was subjected to enzymatic hydrolysis with variation in the concentration of cellulase NS22086 (15, 20 and 25 FPU/g) and β-glucosidase NS22118 (1/3 to 2/3) and temperature of 38; 41 to 44 °C, in order to obtain the best saccharification rates and high glucose concentrations. The production of ethanol from the cellulosic fraction was then carried out with Kluyveromyces marxianus, during simultaneous saccharification and fermentation (SSF) at three different temperatures (38, 41 and 44 °C) for fermentation. The chemical composition between different varieties studied was similar and varied from 22-26% of lignin, from 30-32% of hemicellulose and 32-37% of cellulose. In the study of the hydrolysis conditions of hemicellulose, it was found that the acid concentration was the most important factor, and the condition that resulted in the highest concentration of sugars (14.22 g/L xylose and 2.42 g/L glucose) was 1.75% H2SO4, 40 minutes and 121 °C. This same condition showed low quantities of toxic compounds (1.34 g/L of acetic acid, 0.90 g/L of phenol; 124.54 mg/L of hydroxymethylfurfural and 978 mg/L furfural). The production of ethanol by S. stiptis in the hemicellulosic hydrolysate resulted in a concentration of 22 g/L ethanol, Yp/s of 0.40 g/g; Yx/s 0.28 g/g and Qp of 0.34 g/L.h-1. For the study of cellulignin delignification it was found that 2.5% NaOH for 60 minutes was the best condition for the removal of lignin (68%). During the enzymatic hydrolysis of the cellulosic portion, it was verified that the increase of cellulase from15 to 25 FPU/g resulted in higher concentration of glucose. In addition, the increase of β-glucosidase also resulted in the largest amount of glucose in a shorter time. The temperature also increased and accelerated the process of saccharification of cellulose. The simultaneous saccharification fermentation with K. marxianus was shown to be affected by the temperature studied, and the maximum ethanol concentration was reached (9.41 g/L) after 72 hours at 41 °C. With these results, it was possible to consider that the bagasse of sweet sorghum is a promising material in the field of second generation ethanol production both from hemicellulose and cellulose. / O etanol é considerado uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis, o que implica no aumento do consumo deste biocombustível. Para suprir essa demanda, pesquisas têm sido realizadas com matérias primas alternativas para complementar a produção de etanol de primeira geração. No Brasil, o sorgo sacarino está sendo estudado para ampliação do setor sucroenergético por ter crescimento rápido e possibilidade de cultivo na entressafra da cana-de-açúcar. Porém, durante o processamento do sorgo sacarino ocorre a geração do bagaço como material excedente, que é constituído principalmente por celulose e hemicelulose, e que pode ser considerado matéria-prima em potencial para bioprocessos. Portanto, o objetivo deste trabalho foi estudar o aproveitamento dos açúcares das frações hemicelulósica e celulósica do bagaço de sorgo sacarino para produção de etanol de segunda geração por leveduras fermentadoras de pentoses e hexoses, respectivamente. Após a caracterização química do bagaço de sorgo, este foi avaliado através de estudo de delineamento composto central (DCC) e superfície de resposta à hidrólise ácida branda com variações na temperatura (111; 115 e 121 °C), tempo (40; 50 e 60 min) e concentração de ácido sulfúrico (0,75; 1,25 e 1,75% m/v) a fim de encontrar a condição que propiciasse altas concentrações de açúcares e menores de compostos tóxicos no hidrolisado hemicelulósico. Após o hidrolisado ser concentrado e destoxificado, seguiu para fermentação pela levedura Schefferosomyces stipitis em biorreator a 30 °C, com kLa de 4,9 h-1, pH 5,5 e volume de 4,5 litros. A biomassa sólida (celulignina) resultante do tratamento ácido foi submetida à avaliação da porcentagem de celulose, hemicelulose e lignina e seguiu para estudo da deslignificação com variação na concentração de NaOH (1; 2,5 e 4%) e tempo (20, 40 e 60 min). Após tratamento com a melhor condição de remoção da lignina, a biomassa foi submetida à hidrólise enzimática com variação na concentração de celulase NS22086 (15; 20 e 25 FPU/g) e de β-glicosidase NS22118 (1/3 a 2/3) e temperatura (38; 41 e 44 °C), a fim de obter as melhores taxas de sacarificação e altas concentrações de glicose. A produção de etanol a partir da fração celulósica foi então realizada com Kluyveromyces marxianus durante sacarificação simultânea à fermentação (SSF) em três diferentes temperaturas (38; 41 e 44 °C) de incubação. A composição química do bagaço variou entre 22-26% de lignina, 30-32% de hemicelulose e 32-37% de celulose. A concentração de ácido sulfúrico foi o fator que teve maior influência na formação de açúcares e hidrólise da hemicelulose e a condição que resultou na maior concentração de açúcares (14,22 g/L de xilose e 2,42 g/L de glicose) foi 1,75% de H2SO4, 40 minutos a 121 °C. Essa mesma condição apresentou baixas quantidades de compostos tóxicos (1,34 g/L de ácido acético, 0,90 g/L de fenólicos; 124,54 mg/L de hidroximetilfurfural e 978 mg/L de furfural). A produção de etanol por S. stiptis no hidrolisado hemicelulósico resultou em uma concentração de 22 g/L de etanol, Yp/s de 0,40 g/g; Yx/s de 0,28 g/g e Qp de 0,34 g/L.h-1. No estudo de deslignificação da celulignina foi verificado que 2,5% de NaOH, 121 0C por 60 minutos foi a melhor condição na remoção de lignina (68%). Durante a hidrólise enzimática da porção celulósica foi verificado que o aumento da concentração da celulase de 15 para 25 FPU/g resultou na maior concentração de glicose. Além disso, o aumento da β-glicosidase diminui o tempo de hidrólise e o aumento da temperatura favoreceu o processo de sacarificação da celulose. A sacarificação simultânea à fermentação com K. marxianus demonstrou ser afetada pela temperatura estudada e a máxima concentração de etanol foi alcançada (9,41 g/L) com 72 horas a 41 °C. Com esses resultados, é possível considerar que o bagaço do sorgo sacarino é uma matéria prima promissora na produção de etanol de segunda geração tanto a partir da hemicelulose como de celulose.

A levedura Kluyveromyces marxianus, apesar de apresentar propriedades fisiológicas vantajosas para a produção heteróloga de proteínas, foi utilizada apenas poucas vezes como hospedeira na síntese dessa classe de moléculas. Em contrapartida, a sua congênere Kluyveromyces lactis possui mais de 40 sistemas de expressão desenvolvidos, inclusive comerciais. Além disso, não há literatura disponível sobre glicosilação de proteínas em K. marxianus. Levando-se isso em consideração, este trabalho visou a desenvolver sistemas para a expressão heteróloga da enzima glicose oxidase (GOX) de Aspergillus niger e de uma esterase termófila (EST) de Thermus thermophilus em K. marxianus. A linhagem K. lactis CBS 2359 foi utilizada como parâmetro de comparação em todos os sistemas de expressão construídos. Primeiramente, foi realizado um estudo fisiológico com a finalidade de selecionar, dentre três linhagens de K. marxianus pré-selecionadas a partir de informação da literatura, a que apresentasse as melhores características fisiológicas para se tornar uma hospedeira de expressão heteróloga. A linhagem selecionada foi a CBS 6556, baseando-se numa combinação das seguintes características: velocidade específica de crescimento, formação de metabólitos, rendimento de substrato em biomassa e secreção da enzima homóloga inulinase. Após, foram construídos dois sistemas de expressão epissomais. No primeiro, o gene era expresso sob controle do promotor PGK de S. cerevisiae e no segundo, sob controle de INU1 de K. marxianus. Um sistema integrativo foi utilizado, no qual a expressão era dirigida pelo promotor INU1. Estudos bioquímicos e de glicosilação foram realizados nas enzimas produzidas. Em relação aos sistemas para expressão de GOX, foram alcançados níveis de produção de 1722 U/gMS (unidades por grama de biomassa seca) em K. marxianus transformado com o sistema epissomal no qual a expressão era controlada pelo promotor INU1. As caracterizações bioquímicas da enzima mostraram que a molécula produzida apresentava propriedades semelhantes à enzima homóloga de A. niger. Além disso, os estudos de glicosilação mostraram uma menor tendência de hiperglicosilação de K. marxianus quando comparada com K. lactis. Já em relação à esterase, K. lactis apresentou maiores níveis de expressão (294 U/gMS), porém a enzima produzida em K. marxianus apresentou temperatura ótima de atividade (50 °C) ligeiramente superior à enzima produzida por sua congênere (45 °C), temperaturas abaixo da qual ocorre maior atividade da enzima homóloga (65 °C). Isso pode ser explicado pela glicosilação exercida por ambas espécies de leveduras sobre a proteína, ao contrário da homóloga, não glicosilada. Além disso, os produtos das leveduras apresentaram três padrões de glicosilação. Dessa forma, o trabalho desenvolvido alcançou seu objetivo de desenvolver esses sistemas de expressão, bem como de avaliar a síntese heteróloga de proteínas nessa levedura de destacado potencial. Os resultados obtidos devem servir à comunidade científica, no sentido de estimular e orientar futuros trabalhos que objetivem a síntese heteróloga de proteínas em microrganismos. / In spite of the advantageous physiological properties of the yeast Kluyveromyces marxianus to produce heterologous proteins, this species has not been widely explored for the synthesis of these biomolecules. On the other hand, more than 40 heterologous expression systems, including commercial ones, were developed for Kluyveromyces lactis. Moreover, there is no available literature concerning heterologous protein glycosylation in K. marxianus. Taking these facts into account, this work aimed at developing systems for the heterologous production of Aspergillus niger glucose oxidase (GOX) and of a thermophilic esterase (EST) from Thermus thermophilus in K. marxianus. The strain K. lactis CBS 2359 was utilized as a reference throughout the whole work. First, a physiological study was carried out in order to select one K. marxianus strain, out of three which had been chosen based on literature information, that exhibited the best physiological traits to be a heterologous expression host. The chosen strain was CBS 6556, based on a combination of the following properties: specific growth rate, metabolites formation, biomass yield on substrate, and secretion of the homologous enzyme inulinase. Subsequently, two episomal systems were constructed. In one of them, the heterologous gene was expressed under control of the S. cerevisiae PGK promoter, whereas in the other system, heterologous gene expression occurred under control of the K. marxianus INU1 promoter. An integrative expression system was also constructed, in which the KmINU1 promoter drove foreign gene expression. Both heterologous enzymes were characterized biochemically and also with respect to their glycosylation. The results attained with GOX led to an expression level of 1722 U/g DW (unit per gram of dry cell weight) in K. marxianus transformed with the episomal INU1-based system. The biochemical studies showed that the enzyme was very similar to the A. niger GOX. Furthermore, analysis of the glycosylation pattern showed a lower tendency of K. marxianus to hypermannosylate proteins, when compared to K. lactis. Higher levels of esterase (294 U/gDW) were obtained in K. lactis than in K. marxianus. However, the enzyme produced in the latter host presented a higher temperature for maximal activity ((50 °C), when compared to the former organism (45 °C). Both values are lower than the temperature for maximal activity of the homologous enzyme (65 °C), which can be explained by the glycans added by both yeast species to the peptide, resulting in a glycosylated protein, in contrast to the homologous esterase. Moreover, the yeast products presented three glycosylation patterns. In conclusion, the work presented in this thesis reached its aims, which were to develop these expression systems and to characterize biochemically the heterologous enzymes expressed, which included an analysis of the glycosylation pattern. The results presented here will certainly be of interest and aid the scientific community working on the expression of heterologous proteins in microorganisms.

Orientador: Helia Harumi Sato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-10T08:10:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_GiselledeArruda_M.pdf: 925514 bytes, checksum: 300372a4285d7efd417f8a717a850023 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A enzima ß-1,3-glucanase da bactéria Cellulosimicrobium cellulans 191 é capaz de lisar a parede celular de diversas leveduras dentre elas as linhagens de Kluyveromyces sp., produtoras da enzima intracelular ß-galactosidase. Este trabalho visou a produção de ß-1,3-glucanase lítica de Cellulosimicrobium cellulans 191 para obtenção das preparações enzimáticas bruta concentrada e purificada com alta atividade lítica para aplicação na obtenção de protoplastos de leveduras e lise das células de Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus para extração de b-galactosidase. A ß-1,3-glucanase extracelular foi produzida pela bactéria Cellulosimicrobium cellulans 191 em meio otimizado composto de 10g/L de parede celular de levedura, 2,0g/L de (NH4)2SO4; 0,2g/L de MgSO4.7H2O em tampão fosfato 0,2M, pH 7,5 como descrito por SCOTT e SCHEKMAN (1980) e modificado por SOARES (2002). Foi obtida maior produção da ß-1,3-glucanase na fermentação do microrganismo em frascos aletados a 30ºC, 200rpm por 24 horas do que em fermentador contendo o mesmo meio a 30ºC, 1,5vvm por 24 horas, obtendo-se 0,724 e 0,351U/mL, respectivamente. Os sobrenadantes dos meios fermentados em frascos agitados e em fermentador de 5L apresentaram atividade de 0,120 e 0,064U/mL de protease, respectivamente. Foi estudada a influência dos compostos sacarose (10mM), lactose (10mM), maltose (10mM), glicerol (10mM), gelatina (125mg/mL), albumina de ovo (125mg/mL), sulfato de amônio (10mM), EDTA (10mM), b-mercaptoetanol (10mM) e cisteína (10mM) na preservação da atividade de ß-1,3-glucanase da preparação enzimática bruta a 45ºC, 50ºC e 55ºC, no entanto, nenhum dos compostos testados aumentou a estabilidade da enzima. Foi testada a concentração da preparação enzimática bruta de ß-1,3-glucanase por liofilização, ultrafiltração, fracionamento com sulfato de amônio, pela remoção de água com carboximetilcelulose (CMC) e precipitação com os solventes orgânicos acetona e etanol. A concentração da preparação enzimática bruta de ß-1,3-glucanase utilizando-se sacos de diálise e CMC em pó para a adsorção da água mostrou-se como o método mais eficiente, sendo que a enzima foi concentrada 6,38 vezes com manutenção de 96% da atividade inicial. A preparação enzimática bruta de ß-1,3-glucanase foi purificada aproximadamente 2 vezes por fracionamento com sulfato de amônio 30% de saturação. A ß-1,3-glucanase da preparação enzimática bruta foi purificada aproximadamente 6,66 vezes através de fracionamento com sulfato de amônio a 30% de saturação, dessalinização em coluna de exclusão Sephadex PD10 e cromatografia em coluna de troca iônica DEAE-Sephacelè, com rendimento de 18%. Dentre as linhagens das leveduras Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus, Kluyveromyces marxianus var. lactis, Kluyveromyces drosophilarium, Kluyveromyces marxianus NRRL7571, Kluyveromyces marxianus NRRL1196, a primeira foi selecionada como maior produtora da enzima b-galactosidase. As preparações enzimáticas bruta concentrada e purificada de ß-1,3-glucanase apresentaram capacidade de lisar as células de Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus a 37ºC. Para a formação de protoplastos foi utilizado 0,1U de ß-1,3-glucanase por mL de suspensão de levedura equivalente a 1,3mg de massa celular seca, durante 1 hora a 37ºC. A extração da ß-galactosidase de Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus foi testada pelos métodos químico (solventes orgânicos), enzimático (ß-1,3-glucanase) e físico (ultrasonicação). O método de pré-tratamento enzimático e posterior aplicação de ultrasonicação apresentou melhores resultados seguido pelos métodos de permeabilização com etanol 50%, b-1,3-glucanase purificada, ultrasonicação, permeabilização com tolueno 20% e ß-1,3-glucanase bruta, obtendo-se, respectivamente, atividades de ß-galactosidade (massa celular seca) iguais a 25,13U/mg/min; 14,00U/mg/min; 13,11U/mg/min; 10,95U/mg/min; 10,75U/mg/min e 7,25U/mg/min utilizando-se lactose como substrato. A b-galactosidase bruta apresentou atividade ótima em pH 7,0 e 32ºC e mostrou-se estável na faixa de 30 a 35ºC após 3 horas em pH 7,0 e na faixa de pH entre 6,5 e 7,5 após 3 horas a 35ºC. A b-galactosidase de Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus foi purificada 2,3 vezes após fracionamento com sulfato de amônio a 60% de saturação, diálise e cromatografia em coluna de troca iônica DEAE-Sephacelè, com rendimento de 31%. As preparações enzimáticas bruta e purificada da ß-glucanase lítica da bactéria Cellulosimicrobium cellulans podem ser utilizadas na obtenção de protoplastos de leveduras e extração de enzimas intracelulares de leveduras / Abstract: The enzyme ß-1,3-glucanase from the bacteria Cellulosimicrobium cellulans 191 is capable of lysing the cell wall of various yeasts including strains of Kluyveromyces sp., producers of the intracellular enzyme ß-galactosidase. This work aimed to produce lytic ß-1,3-glucanase from Cellulosimicrobium cellulans 191 in order to obtain crude, concentrated and purified enzyme preparations with high lytic activity, for application in the obtaining of yeast protoplasts and in the lysis of Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus to extract ß-galactosidase. Extracellular ß-1,3-glucanase was produced by the bacteria Cellulosimicrobium cellulans 191 in an optimised culture medium composed of 10g/L yeast cell wall, 2.0g/L (NH4)2SO4 and 0.2g/L MgSO4.7H2O in 0.2M phosphate buffer, pH 7.5. The production of ß-1,3-glucanase from the microorganism was greater in flasks with flaps incubated at 30ºC and 200rpm for 24 hours than in a fermenter containing the same medium and incubated at 30ºC and 1.5vvm for 24 hours, obtaining yields of 0.724U/mL and 0.351U/mL, respectively. The supernatants from the media fermented in the shaken flasks and in the 5L fermenter presented protease activities of 0.120U/mL and 0.064U/mL, respectively. The influences of sucrose (10mM), lactose (10mM), maltose (10mM), glycerol (10mM), gelatine (125mg/mL), egg albumin (125mg/mL), ammonium sulphate (10mM), EDTA (10mM), b-mercaptoethanol (10mM) and cysteine (10mM) in the preservation of the ß-1,3-glucanase activity of the crude enzyme preparation at 45ºC, 50ºC and 55ºC, were studied, but none of the compounds tested increased the stability of the enzyme. Concentration of the crude ß-1,3-glucanase preparation was tested using freeze drying, ultrafiltration, ammonium sulphate fractionation, by the removal of water using carboxymethylcellulose (CMC) and by precipitation with the organic solvents acetone and ethanol. Concentration of the crude ß-1,3-glucanase preparation using dialysis bags and powdered CMC to adsorb the water was shown to be the most efficient method, the enzyme being concentrated 6.38 times with 96% maintenance of the initial activity. The crude ß- 1,3- glucanase preparation was purified about two-fold by ammonium sulphate fractionation at 30% saturation. The ß-1,3-glucanase of the crude enzyme preparation was purified about 6.66 times using ammonium sulphate fractionation at 30% saturation, desalting in a Sephadex PD10 exclusion column and ion exchange column chromatography using DEAE-Sephacelè, with an 18% yield. Of the following yeast strains, Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus, Kluyveromyces marxianus var. lactis, Kluyveromyces drosophilarium, Kluyveromycesmarxianus NRRL7571 and Kluyveromyces marxianus NRRL1196, the first one was selected as the greatest producer of the enzyme ß-galactosidase. The crude, concentrated and purified ß-1,3-glucanase preparations were capable of lysing the cells of Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus at 35ºC. In order to form protoplasts a ß-1,3-glucanase preparation with 0.1U activity was used per mL yeast suspension equivalent to 1.3mg dry cell mass, for 1 hour at 35ºC. Physical (ultrasound), chemical (organic solvents) and enzymatic (ß-1,3-glucanase) methods were tested for their efficiency in extracting ß-galactosidase from Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus. The method using an enzymatic pre-treatment followed by the application of ultrasound gave the best results, followed by methods of permeabilization by ethanol 50%, purified ß-1,3-glucanase, ultrasonication, toluene 20% and crude ß-1,3- glucanase, obtaining ß-galactosidase activities (dry cell mass) of, respectively, 25.13U/mg/min, 14.00U/mg/min, 13.11U/mg/min, 10.95U/mg/min, 10.75U/mg/min e 7.25U/mg/min using lactose as the substrate. The crude ß-galactosidase preparation showed optimum activity at pH 7.0 and 32ºC and was stable in the range from 30-35ºC after 3 hours at pH 7.0 and between pH 6.5 and 7.5 after 3 hours at 35ºC. The ß-galactosidase from Kluyveromyces marxianus var. bulgaricus was purified 2.3 fold after ammonium sulphate fractionation at 60% saturation, dialysis and ion exchange column chromatography on DEAE-Sephacelè, with a 31% yield. The crude and purified lytic ß-glucanase preparations of Cellulosimicrobium cellulans bacteria can be used to obtaining yeast protoplasts and extraction of intracellular enzymes of yeasts / Mestrado / Mestre em Ciência de Alimentos

Submitted by Biblioteca da Faculdade de Farmácia (bff@ndc.uff.br) on 2017-04-19T17:50:00Z No. of bitstreams: 1 Oliveira, Simone Santos de Sousa [Dissertação, 2012].pdf: 991123 bytes, checksum: 0920cf1854462d2adaacf1b65b31e369 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-19T17:50:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira, Simone Santos de Sousa [Dissertação, 2012].pdf: 991123 bytes, checksum: 0920cf1854462d2adaacf1b65b31e369 (MD5) / Os beta-hidroxiésteres são importantes intermediários para a síntese de substâncias bioativas e outros produtos de interesse econômico. A forma de obtenção mais vantajosa, atualmente, é a redução microbiana (biorredução) de beta-cetoésteres. Esse tipo de processo possibilita produzir alto excesso enantiomérico do isômero desejado, ao contrário da síntese química convencional que, geralmente, produz misturas racêmicas. A maioria das reduções microbianas resulta em excesso do enantiômero (S), mas também é observada a inversão dessa configuração, dependendo da estrutura do substrato e do microrganismo utilizado. No presente trabalho, -hidroxiésteres quirais foram obtidos a partir da biorredução enantiosseletiva de oito beta-cetoésteres: 3-oxobutanoato de etila (1), 3-oxopentanoato de metila (3), 3-oxopentanoato de etila (4), 3-oxohexanoato de etila (5), 4-cloro-3-oxobutanoato de metila (7), 4,4,4-tricloro-3-oxobutanoato de etila (8), 4,4,4-triflúor-3-oxobutanoato de etila (9) e 3-(4-clorofenil)-3-oxopropanoato de metila (11), utilizando a levedura Kluyveromyces marxianus como biocatalisador. Esta levedura apresentou altíssima enantiosseletividade (R), com excesso enantiomérico de aproximadamente 100% na redução dos β-cetoésteres 3, 4 e 5. Com o propósito de obter padrões para a caracterização dos produtos da reação microbiológica, visto que não há no mercado a disponibilidade de padrões para todos os betahidroxiésteres obtidos neste estudo, estes foram sintetizados por redução química aquiral com boroidreto de sódio, em dois diferentes meios reacionais, metanol e glicerol. A redução química em glicerol apresentou melhores resultados do que a metodologia convencional com metanol. Técnicas de modelagem molecular foram utilizadas para uma correlação entre as estruturas dos beta-cetoésteres e os resultados de conversão e excesso enantiomérico obtidos nos experimentos de biorredução. O mapa de LUMO foi o melhor parâmetro para esta correlação / The β-hydroxyesters are important intermediates for the synthesis of bioactive substances and other products of economic interest. The most advantageous way to obtain the microbial reduction (bioreduction) is currently β-ketoesters. Such process allows to produce high enantiomeric excess of the desired isomer, unlike the conventional chemical synthesis, which generally produces racemic mixtures. Most microbial reduction result in enantiomeric excess of the enantiomer (S), but it was observed the reversal of this configuration, depending on the structure of the substrate and the microorganisms used. In the present study β-hydroxyesters chiral were obtained from the enantioselective bioreduction of eight β-ketoesters: ethyl 3-oxobutanoate (1), methyl 3-oxopentanoate (3), ethyl 3-oxopentanoate (4), ethyl 3-oxohexanoate (5), methyl 4-chloro-3-oxobutanoate (7), ethyl 4,4,4-trichloro-3-oxobutanoate (8), ethyl 4,4,4-trifluoro-3-oxobutanoate (9) and methyl 3-(4-chlorophenyl)-3-oxopropanoate (11), using the yeast Kluyveromyces marxianus as biocatalyst. This yeast showed high enantioselectivity R, with enantiomeric excess of about 100% reduction of β-ketoesters 3, 4 and 5. In order to synthesize the standards for the characterization of the products after the reaction microbiological, since there are no market standards for the availability of all β- hydroxyesters of this study, we used achiral chemical reduction with sodium borohydride in two different reaction media, methanol and glycerol. The chemical reduction in glycerol showed better results than the conventional method with methanol. Molecular modeling techniques were used for a correlation between the structures of β-ketoesters and the results of conversion and enantiomeric excess obtained in the bioreduction experiments. The map of LUMO was the best parameter for this correlation

Orientadores: Francisco Maugeri Filho, Helen Treichel / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-14T15:38:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mazutti_MarcioAntonio_D.pdf: 2533224 bytes, checksum: 5aa67cc7c607161a5f135fc67eb66778 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nas últimas duas décadas houve um aumento considerável no emprego de fermentação em estado sólido (FES) para a obtenção de enzimas de interesse em alimentos, incluindo a inulinase. No entanto, todos os trabalhos reportados na literatura abordam a produção de inulinase em escala de bancada, usando poucos gramas de substrato. Essa estratégia de condução do processo é muito importante na etapa de seleção dos substratos e triagem dos microrganismos produtores. Porém, não permite a avaliação do desempenho do processo em escalas maiores. O objetivo desse trabalho foi investigar a produção de inulinase por FES num biorreator de leito fixo com capacidade para 3kg (base seca) usando a levedura Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571. Inicialmente, foi realizado um delineamento composto central rotacional (DCCR) para otimizar a massa inicial de células, a temperatura e a vazão do ar de entrada do biorreator. A partir dos resultados obtidos na otimização, foram realizados 7 experimentos em torno da região otimizada, visando a avaliação cinética do processo. Foram monitorados experimentalmente o consumo de açúcar redutor total (ART), a produção de dióxido de carbono (CO2) e a geração de calor metabólico. A produção de água metabólica, massa de células e etanol, além do consumo de oxigênio, foram calculados a partir de uma equação estequiométrica, tomando como base a produção de CO2 e o consumo de ART. Os dados obtidos na avaliação cinética foram usados para a geração de um modelo de crescimento da levedura Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571 em FES. Este modelo é baseado em redes neurais artificiais (RNA), onde são usadas como entradas para a rede a massa inicial de ART, temperatura do ar de entrada do biorreator, temperatura do ar de saída do biorreator e tempo de fermentação. Como respostas têm-se as taxas associadas com o crescimento da levedura Kluyveromyces marxianus, como a produção de CO2, calor metabólico, etanol, água metabólica, atividade da inulinase e massa celular, além das taxas de consumo de oxigênio (O2) e ART. Por fim, o modelo de crescimento microbiano foi acoplado ao balanço macroscópico de energia no biorreator com o objetivo de prever os perfis de temperatura ao longo do processo. Entre os resultados obtidos no DCCR tem-se que a máxima produção de inulinase obtida foi de 437±36 unidades por grama de substrato seco (U.gds-1) (produtividade de 18,2 U.gds-1.h-1) quando a temperatura do ar de entrada, vazão volumétrica de ar e massa de células foram 30°C, 2,2 m3.h-1 e 22 g, respectivamente. Na avaliação cinética do processo, foram verificadas diferenças nas taxas associadas ao crescimento microbiano entre as condições experimentais. O aumento da temperatura do ar de entrada mostrou ter influência no tempo onde as taxas máximas foram verificadas, sendo que quanto mais alta a temperatura menor foi esse tempo. A temperatura máxima obtida na corrente de ar na saída do biorreator atingiu valores próximos a 50°C, não afetando o teor de umidade do substrato, o qual se manteve acima de 65%. A produção de inulinase mostrou variações significativas com a altura do biorreator. As maiores taxas associadas com o crescimento microbiano foram verificadas quando a temperatura do ar de saída atingiu valores compreendidos entre 30¿38°C, o que corresponde a 4-9 horas de fermentação. O modelo matemático baseado em redes neurais empregado para predizer as principais taxas associadas ao crescimento da levedura K. marxianus em FES mostrou desempenho satisfatório na representação dos dados experimentais e ao acoplar esse modelo à equação de balanço de energia macroscópico do processo obteve-se uma representação satisfatória dos perfis de temperatura ao longo do biorreator / Abstract: In the last two decades there has been a considerable increase in the interest of using solid-state fermentation (SSF) for the development of several bioprocesses and products, including enzyme production, as the inulinase. Nevertheless, all works related in the literature regarding the inulinase production were conducted in small scales, using few grams of substrate. This strategy is interesting to select the most promising substrate and microorganisms, which are able to produce the desired product, but this scale is not appropriated for the evaluation of process performance in larger scales. This work evaluate the inulinase production by SSF in a packed-bed bioreactor with available capacity of 3 kg (dry basis) using the yeast Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571. Initially, it was evaluated the technical viability to produce inulinase by SSF in the packed-bed bioreactor. To optimize the operational conditions, such as temperature and flow rate of inlet air and the initial mass of cells, a central composite rotational design (CCRD) for three independent variables was carried out. Starting from the results obtained in the CCRD, seven new experimental runs were carried out within the range investigated for the independent variables to evaluate the kinetics of cell growth and inulinase production by Kluyveromyces marxianus NRRL Y-7571 in the packed-bed bioreactor. A stoichiometry correlation between CO2, ethanol, metabolic water, O2 and total reducing sugar was determined. Besides, the metabolic heat production was estimated by a proper energy balance in the inlet and outlet air stream. The data obtained during the kinetic evaluation of the process were employed on the development of a mathematical model based on artificial neural networks (ANN) to predict the above mentioned microbial rates associated with the microbial growth in function of the fermentation time, initial total reducing sugar concentration, inlet and outlet air temperatures. In the last step of the work, the model related to the microbial growth was coupled to the macroscopic energy balance in the bioreactor to predict the temperature profile through the substrate bed. The results obtained in the CCRD showed that the optimum inulinase production was 436.7±36.3 U.gds-1 at 24 h of fermentation (productivity of 18.2 U.gds-1.h- 1) when SSF was carried out at 30°C of air inlet temperature, 2.2 m3.h-1 of air flow rate and 22 g of cells. During the kinetic evaluation of the process it was verified that the manipulated variables affected the process performance. The maximum temperature reached in the outlet air stream was about 50°C, however not affecting the moisture content of the substrates that was higher than 65% (w/w) inside the bioreactor. The inulinase production showed significant variations in different bed heights inside the bioreactor. The highest microbial rates were verified when the mean temperature of moist substrate reached values in the range of 30 to 38°C that leads to a fermentation time between 4 to 9 hours. The model developed to predict the main microbial rates of the yeast K. marxianus grown in solid-state fermentation showed a good performance during both training and validation steps. The framework developed showed to be an interesting alternative to substitute the simple empirical microbial model in the macroscopic balance of energy in the bioreactor, since the proposed hybrid model predicted efficiently the temperature profiles through the bioreactor / Doutorado / Doutor em Engenharia de Alimentos

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:25:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Danielle.pdf: 2045477 bytes, checksum: e87013d4e9e85c9f4d8686bbb3c0dd6e (MD5) Previous issue date: 2012-02-16 / The researches on second generation ethanol, produced by agroindustrial wastes, have demanded special attention as a possible solution that can contribute to energy sustainability. Such production is based on lignocellulosic fiber conversion (cellulose and hemicellulose), which generates fermentable sugars that are biotransformed in bioethanol after some specific pretreatment and hydrolysis. The industries of extracting oil from sunflower seeds have also generated lignocellulosic residues known as sunflower cake and bran. They can be sources for recycling and profitable alternatives on converting biotechnological products with some trading interest. Thus, this trial aimed at evaluating ethanol production from cellulose and hemicellulose fractions of cake and bran, from the processing of sunflower seeds (Hellianhus annuus). After the description concerning contents of cellulose, hemicellulose and lignin, the residues were submitted to a mild acid hydrolysis with sulfuric acid, whose concentration of H2SO4 varied in 1, 2, 4 and 6% v/v, while times of hydrolysis in autoclave were (20, 40 and 60 minutes). After choosing the best of sunflower residue and treatment to obtain a hemicellulosic hydrolysate with high content of xylose and low content of inhibiting compounds, the detoxified hydrolyzate was fermented by the yeast Pichia stipitis ATCC 58376 at 30 °C with some stirring variations (100, 150 and 200 rpm). In order to obtain ethanol from cellulosic fraction, the remaining solid biomass from acid hydrolysis treatment was delignified at 1% NaOH and submitted to simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) by yeast Kluyveromyces marxianus ATCC 36907, at 38 °C and 150 rpm. The enzymes concentrations varied at 10, 15 and 20 FPU/g of Cellulase complex NS22086 and 1/3, 1.5/3 and 2/3 of β-glucosidase in relation to NS22118 cellulase, both ones from "Novozymes Cellulosic Ethanol Enzyme Kit ". Regarding chemical composition, the cake has shown the following answers: 27.5, 33.16 and 32.18% of cellulose, hemicellulose and lignin, respectively, while for bran, the answers were: 32.93, 30.90 and 26.62% cellulose, hemicellulose and lignin, respectively. Treatment of sunflower bran with 6% H2SO4 and 20 minutes of hydrolysis resulted in a hemicellulosic hydrolysate with high concentrations of sugars (24.88 g/L xylose, 22.33 g/L glucose, 8.9 g/L arabinose and lower amounts of toxic compounds (1.59 g/L phenol, 1.93 g/L acetic acid, 0.0182 g/L furfural and 0.0514 g/L hydroxymethylfurfural). The stirring influenced the process of ethanol production by P. stipitis in hemicellulosic hydrolyzate, whose best results (ethanol 8.8 g/L, yield 0.23 g/g and productivity 0.12 g/Lh) were with 200 rpm stirring. In relation to the SSF process, the best conditions for ethanol production were 20 FPU/g cellulase and 15 CBU β-glucosidase. This resulted in 27.88 g/L ethanol, 0.35 g/g yield and 0.38 g/Lh productivity. In the same condition, the best efficiency of enzymatic conversion (EEC) was 21.95%. These are promising results since sunflower bran is available to produce second generation ethanol from both xylose and cellulose / Pesquisas sobre o etanol de segunda geração, produzido a partir dos resíduos agroindustriais, têm recebido atenção especial como possível solução para contribuir na sustentabilidade energética. Tal obtenção consiste na conversão das fibras lignocelulósicas (celulose e hemicelulose) que, após passarem por pré-tratamento específico e hidrólise, originam açúcares fermentescíveis, que são biotransformados a etanol de segunda geração. Por sua vez, o setor de extração de óleo, a partir da semente de girassol, gera resíduos lignocelulósicos, conhecidos como torta e farelo de girassol, que podem ser fontes para a reciclagem e alternativa de lucro a partir da conversão biotecnológica em produtos de interesse comercial. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo avaliar a produção de etanol a partir das frações hemicelulósica e celulósica da torta ou farelo, provenientes do processamento das sementes de girassol (Hellianhus annuus). Após a caracterização da quantidade de celulose, hemicelulose e lignina dos resíduos, os mesmos foram submetidos à hidrólise ácida branda com ácido sulfúrico, com variações na concentração de H2SO4 (1; 2; 4; 6 % v/v) e tempo de hidrólise em autoclave (20, 40 e 60 minutos). Após a escolha do farelo de girassol como melhor resíduo e do melhor tratamento para obtenção do hidrolisado hemicelulósico com alto teor de xilose e baixo teor de compostos inibidores, o hidrolisado foi destoxificado e fermentado pela levedura Pichia stipitis ATCC 58376 a 30 oC com variações na agitação (100, 150 e 200 rpm). Para obtenção do etanol proveniente da fração celulósica, a biomassa sólida restante do tratamento de hidrólise ácida foi deslignificada com 1% NaOH e submetida ao processo de sacarificação simultânea à fermentação (SSF) pela levedura Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 a 38 oC, 150 rpm, com variações na concentração das enzimas (10; 15 e 20 FPU/g de Cellulase complex NS22086 e 1/3; 1,5/3 e 2/3 de β - glicosidase NS22118 em relação à celulase), ambas do Novozymes Cellulosic Ethanol Enzyme Kit. A torta apresentou 27,5; 33,16 e 32,18% de celulose, hemicelulose e lignina respectivamente, enquanto o farelo apresentou 32,93; 30,90 e 26,62% celulose, hemicelulose e lignina, respectivamente. O tratamento do farelo de girassol com 6% de H2SO4 e 20 minutos de hidrólise resultou em um hidrolisado hemicelulósico com elevadas concentrações de açúcares (24,88 g/L xilose; 22,33 g/L glicose e 8,9 g/L arabinose) e menores quantidades de compostos tóxicos (1,59 g/L fenóis; 1,93 g/L ácido acético, 0,0182 g/L furfural e 0,0514 g/L hidroximetilfurfural). A agitação influenciou no processo de produção de etanol por P. stipitis no hidrolisado hemicelulósico, cujos melhores resultados (etanol 8,8 g/L; rendimento 0,23 g/g e produtividade 0,12 g/L.h) foram encontrados com a agitação de 200 rpm. No processo SSF, as melhores condições para produção de etanol foram 20 FPU/g de celulase e 15 CBU β-glicosidase, resultando em 27,88 g/L etanol, rendimento 0,35 g/g e produtividade 0,38 g/L.h. Nessa mesma condição, foi verificada a melhor porcentagem na eficiência de conversão enzimática - ECC (21,95%). Os resultados são promissores e demonstram que o farelo de girassol é adequado para a produção de etanol de segunda geração tanto a partir da hemicelulose como de celulose

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:48:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Danielle.pdf: 2045477 bytes, checksum: e87013d4e9e85c9f4d8686bbb3c0dd6e (MD5) Previous issue date: 2012-02-16 / The researches on second generation ethanol, produced by agroindustrial wastes, have demanded special attention as a possible solution that can contribute to energy sustainability. Such production is based on lignocellulosic fiber conversion (cellulose and hemicellulose), which generates fermentable sugars that are biotransformed in bioethanol after some specific pretreatment and hydrolysis. The industries of extracting oil from sunflower seeds have also generated lignocellulosic residues known as sunflower cake and bran. They can be sources for recycling and profitable alternatives on converting biotechnological products with some trading interest. Thus, this trial aimed at evaluating ethanol production from cellulose and hemicellulose fractions of cake and bran, from the processing of sunflower seeds (Hellianhus annuus). After the description concerning contents of cellulose, hemicellulose and lignin, the residues were submitted to a mild acid hydrolysis with sulfuric acid, whose concentration of H2SO4 varied in 1, 2, 4 and 6% v/v, while times of hydrolysis in autoclave were (20, 40 and 60 minutes). After choosing the best of sunflower residue and treatment to obtain a hemicellulosic hydrolysate with high content of xylose and low content of inhibiting compounds, the detoxified hydrolyzate was fermented by the yeast Pichia stipitis ATCC 58376 at 30 °C with some stirring variations (100, 150 and 200 rpm). In order to obtain ethanol from cellulosic fraction, the remaining solid biomass from acid hydrolysis treatment was delignified at 1% NaOH and submitted to simultaneous saccharification and fermentation process (SSF) by yeast Kluyveromyces marxianus ATCC 36907, at 38 °C and 150 rpm. The enzymes concentrations varied at 10, 15 and 20 FPU/g of Cellulase complex NS22086 and 1/3, 1.5/3 and 2/3 of β-glucosidase in relation to NS22118 cellulase, both ones from "Novozymes Cellulosic Ethanol Enzyme Kit ". Regarding chemical composition, the cake has shown the following answers: 27.5, 33.16 and 32.18% of cellulose, hemicellulose and lignin, respectively, while for bran, the answers were: 32.93, 30.90 and 26.62% cellulose, hemicellulose and lignin, respectively. Treatment of sunflower bran with 6% H2SO4 and 20 minutes of hydrolysis resulted in a hemicellulosic hydrolysate with high concentrations of sugars (24.88 g/L xylose, 22.33 g/L glucose, 8.9 g/L arabinose and lower amounts of toxic compounds (1.59 g/L phenol, 1.93 g/L acetic acid, 0.0182 g/L furfural and 0.0514 g/L hydroxymethylfurfural). The stirring influenced the process of ethanol production by P. stipitis in hemicellulosic hydrolyzate, whose best results (ethanol 8.8 g/L, yield 0.23 g/g and productivity 0.12 g/Lh) were with 200 rpm stirring. In relation to the SSF process, the best conditions for ethanol production were 20 FPU/g cellulase and 15 CBU β-glucosidase. This resulted in 27.88 g/L ethanol, 0.35 g/g yield and 0.38 g/Lh productivity. In the same condition, the best efficiency of enzymatic conversion (EEC) was 21.95%. These are promising results since sunflower bran is available to produce second generation ethanol from both xylose and cellulose / Pesquisas sobre o etanol de segunda geração, produzido a partir dos resíduos agroindustriais, têm recebido atenção especial como possível solução para contribuir na sustentabilidade energética. Tal obtenção consiste na conversão das fibras lignocelulósicas (celulose e hemicelulose) que, após passarem por pré-tratamento específico e hidrólise, originam açúcares fermentescíveis, que são biotransformados a etanol de segunda geração. Por sua vez, o setor de extração de óleo, a partir da semente de girassol, gera resíduos lignocelulósicos, conhecidos como torta e farelo de girassol, que podem ser fontes para a reciclagem e alternativa de lucro a partir da conversão biotecnológica em produtos de interesse comercial. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo avaliar a produção de etanol a partir das frações hemicelulósica e celulósica da torta ou farelo, provenientes do processamento das sementes de girassol (Hellianhus annuus). Após a caracterização da quantidade de celulose, hemicelulose e lignina dos resíduos, os mesmos foram submetidos à hidrólise ácida branda com ácido sulfúrico, com variações na concentração de H2SO4 (1; 2; 4; 6 % v/v) e tempo de hidrólise em autoclave (20, 40 e 60 minutos). Após a escolha do farelo de girassol como melhor resíduo e do melhor tratamento para obtenção do hidrolisado hemicelulósico com alto teor de xilose e baixo teor de compostos inibidores, o hidrolisado foi destoxificado e fermentado pela levedura Pichia stipitis ATCC 58376 a 30 oC com variações na agitação (100, 150 e 200 rpm). Para obtenção do etanol proveniente da fração celulósica, a biomassa sólida restante do tratamento de hidrólise ácida foi deslignificada com 1% NaOH e submetida ao processo de sacarificação simultânea à fermentação (SSF) pela levedura Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 a 38 oC, 150 rpm, com variações na concentração das enzimas (10; 15 e 20 FPU/g de Cellulase complex NS22086 e 1/3; 1,5/3 e 2/3 de β - glicosidase NS22118 em relação à celulase), ambas do Novozymes Cellulosic Ethanol Enzyme Kit. A torta apresentou 27,5; 33,16 e 32,18% de celulose, hemicelulose e lignina respectivamente, enquanto o farelo apresentou 32,93; 30,90 e 26,62% celulose, hemicelulose e lignina, respectivamente. O tratamento do farelo de girassol com 6% de H2SO4 e 20 minutos de hidrólise resultou em um hidrolisado hemicelulósico com elevadas concentrações de açúcares (24,88 g/L xilose; 22,33 g/L glicose e 8,9 g/L arabinose) e menores quantidades de compostos tóxicos (1,59 g/L fenóis; 1,93 g/L ácido acético, 0,0182 g/L furfural e 0,0514 g/L hidroximetilfurfural). A agitação influenciou no processo de produção de etanol por P. stipitis no hidrolisado hemicelulósico, cujos melhores resultados (etanol 8,8 g/L; rendimento 0,23 g/g e produtividade 0,12 g/L.h) foram encontrados com a agitação de 200 rpm. No processo SSF, as melhores condições para produção de etanol foram 20 FPU/g de celulase e 15 CBU β-glicosidase, resultando em 27,88 g/L etanol, rendimento 0,35 g/g e produtividade 0,38 g/L.h. Nessa mesma condição, foi verificada a melhor porcentagem na eficiência de conversão enzimática - ECC (21,95%). Os resultados são promissores e demonstram que o farelo de girassol é adequado para a produção de etanol de segunda geração tanto a partir da hemicelulose como de celulose

Zugl.: Bonn, Univ., Diss.

Submitted by Nathália Faria da Silva (nathaliafsilva.ufv@gmail.com) on 2017-06-13T20:05:11Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 217487 bytes, checksum: 5604261524efd57a87ca9eed998aafa3 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-13T20:05:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 217487 bytes, checksum: 5604261524efd57a87ca9eed998aafa3 (MD5) Previous issue date: 2004-02-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com o objetivo de estabelecer a condição fisiológica para a conversão máxima da lactose do permeado de soro de queijo em etanol, avaliaram-se os efeitos da concentração de substrato e do nível de oxigênio no direcionamento do fluxo metabólico para a via fermentativa da levedura K. marxianus UFV-3. Inicialmente, as fermentações foram conduzidas em meio YNB sintético com altas concentrações de lactose, em condições aeróbica e microaeróbica (injeção de nitrogênio gasoso por 12 minutos), em regime de batelada. Nas fermentações sob microaerobiose, os rendimentos máximos de etanol por substrato foram próximos a 85% do rendimento teórico, ou seja, superiores aos obtidos em aerobiose, por volta de 55% desse rendimento. O rendimento de etanol máximo por massa celular também foi maior em microaerobiose, sendo a produtividade volumétrica maior em microaerobiose apenas na fermentação, cuja concentração inicial de lactose foi de 67,0 g L -1 . As fermentações realizadas em permeado de soro de queijo com 10 diferentes concentrações de lactose, que variaram de 1,0 g L -1 a 240,0 g L -1 , em regime de batelada, sob condições aeróbica, microaeróbica e anaeróbica (injeção de nitrogênio gasoso por todo o tempo de fermentação), apresentaram rendimento máximo de etanol por substrato e por massa celular, bem como de produtividade máxima volumétrica, superior àqueles obtidos em YNB. Além disso, K. marxianus UFV- 3 exibiu maiores velocidades específicas de crescimento, maior produção de massa celular e maior produção de glicerol nas fermentações em permeado que naquelas em YNB. Os parâmetros fermentativos da produção de etanol em permeado foram maiores em microaerobiose e anaerobiose do que em aerobiose. As fermentações em permeado – cujas concentrações iniciais de lactose foram acima de 50 g L -1 – e o nível de oxigênio reduzido (microaerobiose e anaerobiose) apresentaram altos rendimentos máximos de etanol por substrato, correspondendo a quase 100% do teórico. A velocidade de consumo de lactose e de produção de etanol aumentou à medida que a concentração inicial de substrato também aumentou e o nível de oxigênio diminuiu. A tolerância do produto (etanol) foi verificada no permeado acrescido de etanol, em concentrações que variaram de 5 a 80 g L -1 . Em 50 gL -1 , K. marxianus UFV-3 manteve um crescimento próximo a 80% em relação ao controle em condição anaeróbica e perto de 60% sob condições microaeróbica e aeróbioca. / To establish the physiological condition for maximum conversion of lactose from permeated of cheese whey in ethanol, the effects of substrate concentration and level of oxygen in the directioning of the metabolic flow for the fermentative pathway of the yeast K. marxianus UFV-3 were evaluated. Initially, fermentation was carried out in synthetic YNB medium with high lactose concentrations, in aerobic and microaerobic conditions (injection of nitrogen gas for 12 minutes), in batch culture. For fermentation under microaerobiosis, the maximum ethanol yield per substrate was close to 85% of the theoretical yield, in other words, superior to the obtained in aerobiosis, about 55% of that yield. The maximum ethanol yield per cellular mass was also higher in microaerobiosis, being the volumetric yield higher in microaerobiosis only in fermentation, with initial lactose concentration of 67,0 g L -1 . The fermentation performed in permeated of cheese whey with 10 different lactose concentrations which that varied from 1,0 g L -1 to 240,0 g L -1 , in batch regime, under aerobic, microaerobic and anaerobic conditions, (injection of nitrogen gas xifor the entire fermentation) presented maximum ethanol yield per substrate and per cellular mass, as well as maximum volumetric yield, higher than those obtained in YNB. Besides, K. marxianus UFV-3 gave greater specific growth rates, greater cellular mass production and greater glycerol production in fermentation in permeated than in YNB. The fermentative parameters of ethanol production in permeated were greater in microaerobiosis and anaerobiosis than in aerobiosis. The fermentation in permeated – with initial lactose concentrations above 50 g L -1 – and reduced oxygen level (microaerobiosis and anaerobiosis) gave high ethanol maximum yield per substrate, corresponding to almost 100% of the theoretical value. The lactose consumption rate and ethanol production rata increased with the increase in the initial substrate concentration and the oxygen level decreased. The tolerance of the product (ethanol) was verified in permeated added to ethanol, in concentrations ranging from 5 to 80 g L -1 . In 50 gL -1 , K. marxianus UFV-3 maintained a growth close to 80% in relation to the control in anaerobic conditions and close to 60% under microaerobic and aerobic conditions.

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2016-09-02T16:33:25Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 818272 bytes, checksum: b93f482c5170531d886647a1db1ab445 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-02T16:33:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 818272 bytes, checksum: b93f482c5170531d886647a1db1ab445 (MD5) Previous issue date: 2015-10-15 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A produção de etanol combustível pode ser aumentada pelo estabelecimento de novas tecnologias que utilizam subprodutos agroindustriais como matéria-prima. O soro de queijo é um subproduto que pode ser utilizado como substrato para a produção de etanol. A levedura Kluyveromyces marxianus CCT 7735 é capaz de produzir etanol da lactose do soro de queijo, contudo concentrações de etanol superiores a 6% (v/v) afetam o crescimento dessa levedura. Apesar de esse ser o principal entrave para a utilização de Kluyveromyces marxianus em processos de produção de etanol, existem poucas informações sobre os efeitos e respostas adaptativas ao etanol nessa levedura. Recentemente, o transcriptoma dessa levedura cultivada sob estresse por etanol foi obtido, todavia os dados ainda não foram confirmados. Neste trabalho, o transcriptoma foi validado por meio da análise da expressão dos genes que codificam as enzimas transcetolase, hexoquinase, succinato desidrogenase e isocitrato lisase, respectivamente, por PCR em tempo real (qPCR). No intuito de compreender as respostas adaptativas de Kluyveromyces marxianus ao etanol, foi analisado o perfil metabólico desta levedura sob estresse por esse biocombustível. Os metabólitos intracelulares foram analisados por um sistema de cromatografia a gás (GC) acoplado a um espectrômetro de massa (MS). Posteriormente, os metabólitos identificados foram correlacionados com os dados do transcriptoma, também obtido sob estresse por etanol. A análise dos componentes principais indicou que o etanol provocou alterações no perfil metabólico da levedura. O aumento da abundância relativa dos metabólitos ácido nicotínico, alanina, valina, prolina, inositol, gentibiose, melibiose e lactulose parece estar associado às respostas adaptativas ao etanol em Kluyveromyces marxianus CCT 7735. Além disso, a análise do perfil metabólico, juntamente com as informações do transcriptoma, evidenciou que a via glicolítica é inibida pelo etanol e a via das pentoses fosfato e o ciclo do glioxilato são importantes no período de 4 h sob estresse por etanol. / The production of ethanol may be enhanced by setting up new technologies that use agroindustrial by-products as raw material. Cheese whey is a by-product that can be used as a substrate for the production of ethanol. The yeast Kluyveromyces marxianus CCT 7735 is able of producing ethanol from the lactose present in the cheese whey, concentrations higher than 6% (v/v) affect the growth of such yeast, however. Although being the main obstacle for using Kluyveromyces marxianus in ethanol production processes, there is little information on the effects and the adaptive responses to the ethanol on such yeast. Recently, the transcriptome of that yeast, cultivated under stress in the ethanol, has been obtained. Nevertheless, the data have not been confirmed yet. In this work, the transcriptome was validated by analysis of gene expression that encodes the enzym estransketolase, hexokinase, succinato desidrogenase and isocitratolisase, respectively by PCR in real time (qPCR). In order to understand the adaptive responses of Kluyveromyces marxianus to the ethanol, the metabolic profile of this yeast under ethanol stress was analysed. The intracellular metabolites were analysed by a gas chromatography system (GC) coupled with a mass spectrometer (MS). After that, the identified metabolites were correlated to data of transcriptome, which was also obtained under ethanol stress. The analysis of the principal components revealed that ethanol promoted changes in the metabolic profile of this yeast. The increase in the relative abundance of nicotinic acid, alanine, valine, proline, inositol, gentibiose, melibiose and lactulose may be associated with adaptive responses to ethanol in Kluyveromyces marxianus CCT 7735. In addition, the analysis of the metabolic profile together with information of transcriptome revealed that the glycolytic pathway is inhibited by the ethanol, and the phosphate pentose pathway and the glyoxylate pathway are important in the 4-hour period under ethanol stress.