Este estudo buscou definir as melhores condições para a fermentação alcoólica da xilose pela levedura S. stipitis DSM-3651, utilizando suplementação nutricional de baixo custo. Inicialmente, o melaço de cana foi escolhido, devido à sua disponibilidade e inserção no contexto do etanol de segunda geração. Sendo assim, o estudo acerca dos requerimentos nutricionais foi realizado em quatro etapas. A primeira foi avaliar a capacidade da levedura em utilizar os açúcares provenientes de materiais lignocelulósicos e do melaço: xilose, arabinose, glicose, frutose e sacarose. Observou-se que a levedura foi capaz de converter apenas glicose, xilose e frutose em etanol, e inclusive realizar a co-fermentação destes. Desta forma, a segunda etapa foi determinar a composição química do melaço e compará-la com a de um suplemento referência (extratos de levedura e malte, e peptona). Enquanto o conteúdo de minerais foi semelhante o teor de nitrogênio foi bem inferior, de modo que o enriquecimento com fosfato de amônio foi requerido. A próxima etapa confrontou a qualidade nutricional de meios suplementados com melaço e fosfato ou com a suplementação referência, utilizando xilose como fonte de carbono. Embutida nesta análise foram testadas diferentes cargas de inóculo (0,07 e 3,00 g/L) provenientes de cultivos com ou sem limitação de nutrientes. Como resposta obtivemos que, de modo geral, o desempenho fermentativo de S. stipitis DSM-3651 foi reduzido quando apenas melaço e fosfato foram disponibilizados como nutrientes. Desta forma a quarta e última etapa baseou-se na metodologia de planejamento experimental para definir a combinação de nutrientes ideal para cada carga de inóculo. Com base na produção de etanol, definiu-se que, para o prosseguimento do trabalho um meio à base, principalmente, de melaço seria o mais adequado, utilizando uma concentração celular inicial de 3,00 g/L. O estudo dos efeitos das condições de fermentação no crescimento celular e na produção de etanol a partir de xilose, foi realizado com base no planejamento de experimentos e adequada análise estatística, utilizando 4 variáveis: aeração e concentrações de substrato, células e suplemento. Após avaliar e interpretar o impacto que cada variável exerceu no desenvolvimento da levedura, o aumento da produção de etanol foi o critério escolhido para estabelecer as condições que seriam fixadas para a continuidade do trabalho, atendendo nosso objetivo principal; redução da aeração e aumento das concentrações de substrato, células e nutrientes. Considerando que o melaço perfazia a maior porção mássica do suplemento nutricional, e que frutose, glicose e sacarose são os seus principais componentes, avaliou-se a possibilidade de inverter este dissacarídeo, utilizando invertases. O resultado foi uma eficiente hidrólise em glicose e frutose, atingindo 100% rendimento. Deste modo, o estudo de otimização da produção de etanol por S. stipitis DSM-3651, a partir de meio a base de xilose, procedeu-se na forma de uma nova abordagem para a integração das produções de etanol de primeira e segunda geração. Utilizando-se da capacidade intrínseca da levedura de co-fermentar xilose, glicose e frutose, um aumento da concentração de substrato foi obtido a partir do tratamento enzimático do melaço, que passou a exercer função dupla no processo fermentativo: fonte de nutriente e de açúcares fermentescíveis. Como resultado, a condição otimizada pelo presente trabalho atingiu fator de conversão e produtividade volumétrica de etanol de 0,41 g/g e 1,26 g/L.h, respectivamente, referentes à concentração final de 60,36 g/L de etanol. / This study seek to define the best conditions for the xylose fermentation by yeast S. stipitis DSM-3651, using an inexpensive nutritional supplementation. Initially, the sugarcane molasses was chosen due to its availability and integration in the second generation ethanol context. Thus, the study of the nutritional requirements was conducted in four stages. The first was to evaluate the yeast\'s ability to use sugars from lignocellulosic materials and sugarcane molasses: xylose, arabinose, glucose, fructose and sucrose. It was observed that the yeast was capable of converting only glucose, xylose and fructose in ethanol, and even carry out their co-fermentation. Thus, the second stage was to determine the chemical composition of sugarcane molasses and compare it with a reference supplement (malt and yeast extracts and peptone). While the mineral content was similar, the nitrogen content was much lower, so that the enrichment of ammonium phosphate was required. In the next step a comparison was established among media supplemented with sugar molasses plus phosphate or reference supplementation considering their nutritional qualities, using xylose as a carbon source. Embedded in this analysis were tested different inoculum loads (0.07 and 3.00 g/L) from cultures with or without nutrient limitation. We obtained that, in general, the fermentative performance of S. stipitis DSM-3651 was reduced when only sugarcane molasses and phosphate were provided as nutrients. Thus the fourth and final step was based on the experimental design methodology to define the optimum combination of nutrients for each inoculum load. Based in ethanol production, it was decided that a media composed mainly by sugarcane molasses would be more appropriate, using an initial cell concentration of 3.00 g/L. The study of the effects of fermentation conditions on cell growth and ethanol production from xylose was conducted based on the design of experiments, and appropriate statistical analysis using four variables: aeration and substrate, cells and supplement concentrations. After evaluating and interpreting the impact which each variable exercised in the yeast development, the increased ethanol production was chosen as criteria to establish the conditions that would be fixed for the research continuation, following our main aim; reducing aeration and increasing substrate, cells and nutrients concentrations. Whereas sugarcane molasses composing the greatest mass portion of the nutritional supplement, and fructose, glucose and sucrose are its main components, we evaluated the ability to invert this disaccharide using invertase. The result was an efficient hydrolysis into glucose and fructose, reaching 100% yield. Thus, the optimization studies of ethanol production by S. stipitis DSM-3651 from a medium composed by xylose was arranged as a novel approach for integrating the first and second generation ethanol production. Using the yeast intrinsic capacity of to perform the co-fermentation of xylose, glucose and fructose, an increase in the substrate concentration was obtained from the enzymatic treatment of the sugarcane molasses, which had a double duty in the fermentation process: nutrient and fermentable sugars source. As a result, the best condition determined by this study reached an ethanol yield and productivity of 0.41g/g and 1.26 g/L.h, respectively, for an ethanol final concentration of 60.36 g/L.

Este estudo buscou definir as melhores condições para a fermentação alcoólica da xilose pela levedura S. stipitis DSM-3651, utilizando suplementação nutricional de baixo custo. Inicialmente, o melaço de cana foi escolhido, devido à sua disponibilidade e inserção no contexto do etanol de segunda geração. Sendo assim, o estudo acerca dos requerimentos nutricionais foi realizado em quatro etapas. A primeira foi avaliar a capacidade da levedura em utilizar os açúcares provenientes de materiais lignocelulósicos e do melaço: xilose, arabinose, glicose, frutose e sacarose. Observou-se que a levedura foi capaz de converter apenas glicose, xilose e frutose em etanol, e inclusive realizar a co-fermentação destes. Desta forma, a segunda etapa foi determinar a composição química do melaço e compará-la com a de um suplemento referência (extratos de levedura e malte, e peptona). Enquanto o conteúdo de minerais foi semelhante o teor de nitrogênio foi bem inferior, de modo que o enriquecimento com fosfato de amônio foi requerido. A próxima etapa confrontou a qualidade nutricional de meios suplementados com melaço e fosfato ou com a suplementação referência, utilizando xilose como fonte de carbono. Embutida nesta análise foram testadas diferentes cargas de inóculo (0,07 e 3,00 g/L) provenientes de cultivos com ou sem limitação de nutrientes. Como resposta obtivemos que, de modo geral, o desempenho fermentativo de S. stipitis DSM-3651 foi reduzido quando apenas melaço e fosfato foram disponibilizados como nutrientes. Desta forma a quarta e última etapa baseou-se na metodologia de planejamento experimental para definir a combinação de nutrientes ideal para cada carga de inóculo. Com base na produção de etanol, definiu-se que, para o prosseguimento do trabalho um meio à base, principalmente, de melaço seria o mais adequado, utilizando uma concentração celular inicial de 3,00 g/L. O estudo dos efeitos das condições de fermentação no crescimento celular e na produção de etanol a partir de xilose, foi realizado com base no planejamento de experimentos e adequada análise estatística, utilizando 4 variáveis: aeração e concentrações de substrato, células e suplemento. Após avaliar e interpretar o impacto que cada variável exerceu no desenvolvimento da levedura, o aumento da produção de etanol foi o critério escolhido para estabelecer as condições que seriam fixadas para a continuidade do trabalho, atendendo nosso objetivo principal; redução da aeração e aumento das concentrações de substrato, células e nutrientes. Considerando que o melaço perfazia a maior porção mássica do suplemento nutricional, e que frutose, glicose e sacarose são os seus principais componentes, avaliou-se a possibilidade de inverter este dissacarídeo, utilizando invertases. O resultado foi uma eficiente hidrólise em glicose e frutose, atingindo 100% rendimento. Deste modo, o estudo de otimização da produção de etanol por S. stipitis DSM-3651, a partir de meio a base de xilose, procedeu-se na forma de uma nova abordagem para a integração das produções de etanol de primeira e segunda geração. Utilizando-se da capacidade intrínseca da levedura de co-fermentar xilose, glicose e frutose, um aumento da concentração de substrato foi obtido a partir do tratamento enzimático do melaço, que passou a exercer função dupla no processo fermentativo: fonte de nutriente e de açúcares fermentescíveis. Como resultado, a condição otimizada pelo presente trabalho atingiu fator de conversão e produtividade volumétrica de etanol de 0,41 g/g e 1,26 g/L.h, respectivamente, referentes à concentração final de 60,36 g/L de etanol. / This study seek to define the best conditions for the xylose fermentation by yeast S. stipitis DSM-3651, using an inexpensive nutritional supplementation. Initially, the sugarcane molasses was chosen due to its availability and integration in the second generation ethanol context. Thus, the study of the nutritional requirements was conducted in four stages. The first was to evaluate the yeast\'s ability to use sugars from lignocellulosic materials and sugarcane molasses: xylose, arabinose, glucose, fructose and sucrose. It was observed that the yeast was capable of converting only glucose, xylose and fructose in ethanol, and even carry out their co-fermentation. Thus, the second stage was to determine the chemical composition of sugarcane molasses and compare it with a reference supplement (malt and yeast extracts and peptone). While the mineral content was similar, the nitrogen content was much lower, so that the enrichment of ammonium phosphate was required. In the next step a comparison was established among media supplemented with sugar molasses plus phosphate or reference supplementation considering their nutritional qualities, using xylose as a carbon source. Embedded in this analysis were tested different inoculum loads (0.07 and 3.00 g/L) from cultures with or without nutrient limitation. We obtained that, in general, the fermentative performance of S. stipitis DSM-3651 was reduced when only sugarcane molasses and phosphate were provided as nutrients. Thus the fourth and final step was based on the experimental design methodology to define the optimum combination of nutrients for each inoculum load. Based in ethanol production, it was decided that a media composed mainly by sugarcane molasses would be more appropriate, using an initial cell concentration of 3.00 g/L. The study of the effects of fermentation conditions on cell growth and ethanol production from xylose was conducted based on the design of experiments, and appropriate statistical analysis using four variables: aeration and substrate, cells and supplement concentrations. After evaluating and interpreting the impact which each variable exercised in the yeast development, the increased ethanol production was chosen as criteria to establish the conditions that would be fixed for the research continuation, following our main aim; reducing aeration and increasing substrate, cells and nutrients concentrations. Whereas sugarcane molasses composing the greatest mass portion of the nutritional supplement, and fructose, glucose and sucrose are its main components, we evaluated the ability to invert this disaccharide using invertase. The result was an efficient hydrolysis into glucose and fructose, reaching 100% yield. Thus, the optimization studies of ethanol production by S. stipitis DSM-3651 from a medium composed by xylose was arranged as a novel approach for integrating the first and second generation ethanol production. Using the yeast intrinsic capacity of to perform the co-fermentation of xylose, glucose and fructose, an increase in the substrate concentration was obtained from the enzymatic treatment of the sugarcane molasses, which had a double duty in the fermentation process: nutrient and fermentable sugars source. As a result, the best condition determined by this study reached an ethanol yield and productivity of 0.41g/g and 1.26 g/L.h, respectively, for an ethanol final concentration of 60.36 g/L.

O sabugo de milho, devido a sua estrutura lignocelulósica, pode servir como fonte de biomassa renovável na produção de açúcares solúveis que podem ser convertidos em produtos de elevados valores agregados, como etanol e outros. A hidrólise ácida é o método mais utilizado na obtenção de hidrolisado hemicelulósico de materiais lignocelulósicos ricos em açúcares fermentescíveis, sendo o açúcar xilose em maior concentração. A levedura fermentadora de xilose Scheffersomyces stipitis está entre os poucos organismos que utilizam a xilose e a glicose e exibem um sistema regulatório de transição entre o processo respiratório e o fermentativo. Este trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de uma tecnologia de obtenção de bioetanol por S. stipitis CBS 6054, a partir da fração hemicelulósica do sabugo de milho, avaliando a formulação nutricional do meio de fermentação. Como fonte de nitrogênio alternativa foi escolhida o farelo de soja. O hidrolisado hemicelulósico de sabugo de milho (HHSM), obtido por hidrólise ácida, foi concentrado a vácuo e tratado pela elevação e abaixamento de pH. O hidrolisado de farelo de soja foi obtido por hidrólise enzimática (Alcalase, 600C, 100 rpm, 3h). Para avaliar a solubilidade do hidrolisado de farelo de soja em HHSM (pH de 4,0 a 7,0) empregou-se planejamento fatorial 22 completo com análise de superfície de resposta (RSM). A suplementação do HHSM com a proteína de farelo de soja solubilizada em associação ou não com outros nutrientes (ureia e sulfato de amônio) na obtenção de bioetanol por S. stipitis foi avaliada por meio de um planejamento fatorial 23 completo com RSM. A fermentação foi realizada em frascos de Erlenmeyer (125 mL) contendo 50 mL de meio sob agitação de 150 rpm e 30 °C. A concentração de inoculo foi de 1,5 g/L de células. Os resultados mostraram que a hidrólise ácida favoreceu a remoção da fração hemicelulósica (88,05%) com pouca alteração na celulose (10,06%) e da lignina (27,07%) com relação ao material in natura, proporcionando um hidrolisado hemicelulósico rico em xilose (28,30 g/L) com baixas concentrações de compostos fenólicos e furanos. O tratamento do HHSM reduziu seu teor proteico em relação ao hidrolisado concentrado (74,76%) e hidrolisado original (28,53%). O farelo de soja foi de boa qualidade apresentando solubilidade da proteína em KOH igual a 82,99% e índice de urease igual a 0,00. A hidrólise enzimática de farelo de soja hidrolisou 50,45% mais proteína do que a extração aquosa de proteína de farelo de soja, obtendo-se 45 g/L de proteína solubilizada. Na quantificação de proteína pelo método de Lowry foi necessário levar em consideração a presença de espécies interferentes do HHSM. A máxima solubilização da proteína de soja (9,02 g/L) em HHSM foi obtida maximizando a concentração de hidrolisado de farelo de soja (5,0 g/L). O pH, nos níveis estudados, não influenciou a solubilização da proteína de soja em HHSM. Pela RMS, o valor máximo para o fator de conversão de açúcares em etanol (0,20 g/g) pode ser alcançado empregando-se hidrolisado de farelo de soja em seu nível superior (5,0 g/L) e uréia (3 g/L) e sulfato de amônio (3,0 g/L) em seus pontos centrais. A fonte de proteína de farelo de soja solubilizada em HHSM tem potencial como fonte de nitrogênio alternativa na produção de bioetanol por Scheffersomyces stipitis. / The corn cob, due to its lignocellulosic structure, can be used as a biomass renewable source for soluble sugars can be converted into high value-added products, such as ethanol and others. Acid hydrolysis is the mostly used method to obtain hemicellulosic hydrolysate from lignocellulosic materials, leading to the obtaining of the xylose sugar at the highest concentration, from their hemicellulosic fraction. The xylose fermenting yeast Scheffersomyces stipitis is among the few organisms that utilize both xylose and glucose regulatory systems and exhibits a transition between the respiratory and fermentative processes. This work aims to contribute to the development of a technology to obtain bioethanol by Scheffersomyces stipitis CBS 6054, from the corn cob hemicellulosic fraction, evaluating the nutritional formulation of the fermentation medium. As an alternative of nitrogen source, it was chosen soybean bran. The corn cob hemicellulosic hydrolysate (HHSM) was obtained by acid hydrolysis, vacuum evaporated and treated by pH variation. Hydrolysate of soybean bran was obtained by enzymatic hydrolysis (Alcalase, 60°C, 100 rpm, 3h). The solubility evaluation of the hydrolysate of soybean bran in HHSM (pH 4.0 to 7.0) was performed by 22 full factorial design using response surface methodology (RSM). The supplementation of HHSM with solubilized soybean bran protein associated or not with other nutrients (urea and ammonium sulphate) to obtain bioethanol employed a 23 full factorial design using RSM. The fermentation was carried out in Erlenmeyer flasks (125 mL) containing 50mL of medium stirred at 150rpm and 30 °C. The inoculum concentration was 1.5 g/L of cells. The results showed that the acid hydrolysis favored removal of the hemicellulosic fraction (88.05%) with little change in cellulose (10.06%) and lignin (27.07%) compared to the in natura material, providing a hemicellulosic hydrolysate rich in xylose (28.30 g/L) with low concentrations of phenolics compounds and furans. Treatment of HHSM reduced protein content in the vaccum evaporated hydrolysate (74.76%) and original hydrolysate (28.53%). Soybean bran had good quality as shown by the protein solubility of KOH of 82.99 % and by urease index of 0.00. The soybean bran enzymatic hydrolysis produced 50.45% more protein than aqueous soybean bran protein extraction, yielding 45 g/L of solubilized protein. In the determination of protein content by the Lowry method was necessary to take into account the presence of interfering species of the HHSM. The maximum soybean bran protein solubility (9.01 g/L) was obtained maximizing the concentration of hydrolysate of soybean bran (5.0 g /L) in HHSM. In the range studied in this work, the pH did not influence the solubility of soybean bran protein in HHSM. For the response surface methodology, the maximum value for the ethanol yield (0.20 g/g.) can be achieved employing hydrolysate of soybean bran in its upper level (5.0 g/L) and urea (3 g/L) and ammonium sulfate (3 g/L) in their center points. The source of soybean bran protein solubilized in HHSM has potential as an alternative nitrogen source for bioethanol production by Scheffersomyces stipitis.

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:46:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lillian Leonel.pdf: 1330884 bytes, checksum: 72d7ed478436a2a5c72fa3f74e8d44d4 (MD5) Previous issue date: 2014-03-18 / To supply the increasing demand for bioethanol it is necessary to search for new sources of renewable raw materials and emerging technologies. Most studies have been directed to the cellulose, since this fraction is more abundant in biomass and its hydrolysis leads to glucose, a more easily metabolizable sugar for the commercially available yeasts. Considering that the hemicellulose represents 20-30% of plant biomass and is easily removable, either by acid or enzymatic hydrolysis, the use of this fraction by pentose-fermenting yeasts as Scheffersomyces (Pichia) stipitis has been promising. However, the process of hydrolysis of lignocellulosic biomass to the release of fermentable sugars, specifically the acid hydrolysis, generates toxic compounds that impair the microbial metabolism and ethanol production. Thus, it is important to know the different effects of the major inhibitors present in hemicellulosic hydrolysates in the metabolism of S. stipitis ATCC 58376. For this purpose the culture was performed in synthetic medium supplemented with different concentrations of the inhibitors furfural, HMF, acetic acid, syringic acid and vanillin, following the Plackett and Burman factorial design with 12 assays (7 assays more compared to the number of independent variables) and 4 assays at the central point, totalizing 16 assays. The assays were conducted under agitation of 200 rpm at 30 °C and pH 5.25 for 96 hours. The analysis of the kinetic profiles obtained showed that the consumption of sugars, cell growth and ethanol production by S. stipitis were adversely affected by the addition of inhibitor compounds in synthetic medium promoting the inhibition of cell growth and ethanol production, as well as the delay in the consumption of sugars (xylose and glucose) according to the concentrations of the inhibitors tested. However, the acetic acid concentration of 2.0 g / L favored S. stipitis metabolism in the assays 09 (furfural 0.025 g.L-1; HMF: 0.01 g.L-1; acetic acid: 2.0 g.L-1, vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.75 g.L-1), 10 (furfural: 0.75 g.L-1 HMF: 0,01 g.L-1; vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.75 g.L-1) and 02 (furfural: 0.75 g.L-1; HMF: 0.03 g.L-1; acetic acid 2.0 g.L-1; vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.025 g L-1), with peak concentrations of ethanol obtained in 72 hours of 14.3 g.L-1, 12.43 g.L-1 and 10.75 g.L-1, respectively, higher than the control assay (10.05 g.L-1), that lacked inhibitors. In assays with 6.0 g.L-1 of acetic acid, the metabolism of the yeast was completely inhibited. Statistical analysis for cell growth response showed that only acetic acid was significant (p < 0.10), being the most potent inhibitor. The others inhibitors also showed negative effect, except for syringic acid, which had a positive effect at 72 and 96 hours, but were not statistically significant. For the response ethanol production, among the factors evaluated, only the effect of furfural was not significant (p> 0.10). The most potent inhibitors were acetic acid and HMF, while vanillin and syringic acid promoted a positive effect on ethanol production. These results contribute to the choice of an appropriate method of detoxification for hemicellulosic hydrolyzate, which aims for a greater removal of the compounds that actually affect the metabolism of S. stipitis ATCC 58376 / Para suprir a demanda crescente de bioetanol há necessidade de buscar novas fontes de matérias-primas renováveis e tecnologias emergentes. A maior parte dos estudos tem sido direcionada à celulose, visto que esta fração é mais abundante na biomassa e sua hidrólise resulta em glicose, açúcar mais facilmente metabolizável por leveduras comercialmente disponíveis. Considerando que a hemicelulose representa 20-30% da biomassa vegetal e é facilmente extraível, seja por hidrólise ácida ou enzimática, a utilização desta fração por leveduras fermentadoras de pentoses, como Scheffersomyces (Pichia) stipitis, tem se mostrado promissora. No entanto, o processo de hidrólise da biomassa lignocelulósica para liberação dos açúcares fermentescíveis, em específico a hidrólise ácida, gera compostos tóxicos que prejudicam o metabolismo microbiano e a produção de etanol. Assim, é importante o conhecimento dos efeitos distintos dos principais inibidores presentes nos hidrolisados hemicelulósicos no metabolismo de S. stipitis ATCC 58376. Para isso foram realizados cultivos em meio sintético, adicionado de diferentes concentrações dos inibidores furfural, HMF, ácido acético, ácido siríngico e vanilina, seguindo o planejamento fatorial Plackett e Burman com 12 ensaios (7 ensaios a mais em relação ao número de variáveis independentes) e 4 ensaios no ponto central, totalizando 16 ensaios. Os ensaios foram conduzidos sob agitação de 200 rpm, temperatura de 30 °C e pH inicial 5,25 por 96 horas. A análise dos perfis cinéticos obtidos mostrou que o consumo de açúcares, o crescimento celular e a produção de etanol por S. stipitis foram afetados negativamente pela adição de compostos inibidores em meio sintético, promovendo a inibição do crescimento celular e produção de etanol, bem como o retardo no consumo de açúcares (glicose e xilose) de acordo com as concentrações dos inibidores testadas. No entanto, o ácido acético em concentração de 2,0 g/L favoreceu o metabolismo de S. stipitis, nos ensaios 09 (furfural: 0,025 g.L-1; HMF: 0,01 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico: 0,75 g.L-1), 10 (furfural: 0,75 g.L-1; HMF: 0,01 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico: 0,75 g.L-1) e 02 (furfural: 0,75 g.L-1; HMF: 0,03 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico: 0,025 g.L-1), sendo as máximas concentrações de etanol obtidas em 72 horas de 14,3 g.L-1, 12,43 g.L-1 e 10,75 g.L-1,respectivamente, sendo valores superiores ao ensaio controle (10,05 g.L-1), que não possuía inibidores. Nos testes com 6,0 g.L-1 de ácido acético, o metabolismo da levedura foi completamente inibido. A análise estatística para a resposta crescimento celular mostrou que somente o ácido acético foi significativo (p<0,10), mostrando-se o mais potente inibidor. Os demais inibidores também apresentaram efeito negativo, exceto o ácido siríngico, que apresentou efeito positivo em 72 e 96 horas, porém não foram estatisticamente significativos. Para a resposta produção de etanol, entre os fatores avaliados, somente o efeito do furfural não foi significativo (p>0,10). Os mais potentes inibidores foram o ácido acético e o HMF, enquanto vanilina e ácido siríngico promoveram um efeito positivo na produção de etanol. Esses resultados contribuem para a escolha de um método de destoxificação adequado para o hidrolisado hemicelulósico, que vise uma maior remoção dos compostos que realmente afetam o metabolismo de S. stipitis ATCC 58376

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:23:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lillian Leonel.pdf: 1330884 bytes, checksum: 72d7ed478436a2a5c72fa3f74e8d44d4 (MD5) Previous issue date: 2014-03-18 / To supply the increasing demand for bioethanol it is necessary to search for new sources of renewable raw materials and emerging technologies. Most studies have been directed to the cellulose, since this fraction is more abundant in biomass and its hydrolysis leads to glucose, a more easily metabolizable sugar for the commercially available yeasts. Considering that the hemicellulose represents 20-30% of plant biomass and is easily removable, either by acid or enzymatic hydrolysis, the use of this fraction by pentose-fermenting yeasts as Scheffersomyces (Pichia) stipitis has been promising. However, the process of hydrolysis of lignocellulosic biomass to the release of fermentable sugars, specifically the acid hydrolysis, generates toxic compounds that impair the microbial metabolism and ethanol production. Thus, it is important to know the different effects of the major inhibitors present in hemicellulosic hydrolysates in the metabolism of S. stipitis ATCC 58376. For this purpose the culture was performed in synthetic medium supplemented with different concentrations of the inhibitors furfural, HMF, acetic acid, syringic acid and vanillin, following the Plackett and Burman factorial design with 12 assays (7 assays more compared to the number of independent variables) and 4 assays at the central point, totalizing 16 assays. The assays were conducted under agitation of 200 rpm at 30 °C and pH 5.25 for 96 hours. The analysis of the kinetic profiles obtained showed that the consumption of sugars, cell growth and ethanol production by S. stipitis were adversely affected by the addition of inhibitor compounds in synthetic medium promoting the inhibition of cell growth and ethanol production, as well as the delay in the consumption of sugars (xylose and glucose) according to the concentrations of the inhibitors tested. However, the acetic acid concentration of 2.0 g / L favored S. stipitis metabolism in the assays 09 (furfural 0.025 g.L-1; HMF: 0.01 g.L-1; acetic acid: 2.0 g.L-1, vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.75 g.L-1), 10 (furfural: 0.75 g.L-1 HMF: 0,01 g.L-1; vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.75 g.L-1) and 02 (furfural: 0.75 g.L-1; HMF: 0.03 g.L-1; acetic acid 2.0 g.L-1; vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.025 g L-1), with peak concentrations of ethanol obtained in 72 hours of 14.3 g.L-1, 12.43 g.L-1 and 10.75 g.L-1, respectively, higher than the control assay (10.05 g.L-1), that lacked inhibitors. In assays with 6.0 g.L-1 of acetic acid, the metabolism of the yeast was completely inhibited. Statistical analysis for cell growth response showed that only acetic acid was significant (p < 0.10), being the most potent inhibitor. The others inhibitors also showed negative effect, except for syringic acid, which had a positive effect at 72 and 96 hours, but were not statistically significant. For the response ethanol production, among the factors evaluated, only the effect of furfural was not significant (p> 0.10). The most potent inhibitors were acetic acid and HMF, while vanillin and syringic acid promoted a positive effect on ethanol production. These results contribute to the choice of an appropriate method of detoxification for hemicellulosic hydrolyzate, which aims for a greater removal of the compounds that actually affect the metabolism of S. stipitis ATCC 58376 / Para suprir a demanda crescente de bioetanol há necessidade de buscar novas fontes de matérias-primas renováveis e tecnologias emergentes. A maior parte dos estudos tem sido direcionada à celulose, visto que esta fração é mais abundante na biomassa e sua hidrólise resulta em glicose, açúcar mais facilmente metabolizável por leveduras comercialmente disponíveis. Considerando que a hemicelulose representa 20-30% da biomassa vegetal e é facilmente extraível, seja por hidrólise ácida ou enzimática, a utilização desta fração por leveduras fermentadoras de pentoses, como Scheffersomyces (Pichia) stipitis, tem se mostrado promissora. No entanto, o processo de hidrólise da biomassa lignocelulósica para liberação dos açúcares fermentescíveis, em específico a hidrólise ácida, gera compostos tóxicos que prejudicam o metabolismo microbiano e a produção de etanol. Assim, é importante o conhecimento dos efeitos distintos dos principais inibidores presentes nos hidrolisados hemicelulósicos no metabolismo de S. stipitis ATCC 58376. Para isso foram realizados cultivos em meio sintético, adicionado de diferentes concentrações dos inibidores furfural, HMF, ácido acético, ácido siríngico e vanilina, seguindo o planejamento fatorial Plackett e Burman com 12 ensaios (7 ensaios a mais em relação ao número de variáveis independentes) e 4 ensaios no ponto central, totalizando 16 ensaios. Os ensaios foram conduzidos sob agitação de 200 rpm, temperatura de 30 °C e pH inicial 5,25 por 96 horas. A análise dos perfis cinéticos obtidos mostrou que o consumo de açúcares, o crescimento celular e a produção de etanol por S. stipitis foram afetados negativamente pela adição de compostos inibidores em meio sintético, promovendo a inibição do crescimento celular e produção de etanol, bem como o retardo no consumo de açúcares (glicose e xilose) de acordo com as concentrações dos inibidores testadas. No entanto, o ácido acético em concentração de 2,0 g/L favoreceu o metabolismo de S. stipitis, nos ensaios 09 (furfural: 0,025 g.L-1; HMF: 0,01 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico: 0,75 g.L-1), 10 (furfural: 0,75 g.L-1; HMF: 0,01 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico: 0,75 g.L-1) e 02 (furfural: 0,75 g.L-1; HMF: 0,03 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico: 0,025 g.L-1), sendo as máximas concentrações de etanol obtidas em 72 horas de 14,3 g.L-1, 12,43 g.L-1 e 10,75 g.L-1,respectivamente, sendo valores superiores ao ensaio controle (10,05 g.L-1), que não possuía inibidores. Nos testes com 6,0 g.L-1 de ácido acético, o metabolismo da levedura foi completamente inibido. A análise estatística para a resposta crescimento celular mostrou que somente o ácido acético foi significativo (p<0,10), mostrando-se o mais potente inibidor. Os demais inibidores também apresentaram efeito negativo, exceto o ácido siríngico, que apresentou efeito positivo em 72 e 96 horas, porém não foram estatisticamente significativos. Para a resposta produção de etanol, entre os fatores avaliados, somente o efeito do furfural não foi significativo (p>0,10). Os mais potentes inibidores foram o ácido acético e o HMF, enquanto vanilina e ácido siríngico promoveram um efeito positivo na produção de etanol. Esses resultados contribuem para a escolha de um método de destoxificação adequado para o hidrolisado hemicelulósico, que vise uma maior remoção dos compostos que realmente afetam o metabolismo de S. stipitis ATCC 58376

O sabugo de milho, devido a sua estrutura lignocelulósica, pode servir como fonte de biomassa renovável na produção de açúcares solúveis que podem ser convertidos em produtos de elevados valores agregados, como etanol e outros. A hidrólise ácida é o método mais utilizado na obtenção de hidrolisado hemicelulósico de materiais lignocelulósicos ricos em açúcares fermentescíveis, sendo o açúcar xilose em maior concentração. A levedura fermentadora de xilose Scheffersomyces stipitis está entre os poucos organismos que utilizam a xilose e a glicose e exibem um sistema regulatório de transição entre o processo respiratório e o fermentativo. Este trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de uma tecnologia de obtenção de bioetanol por S. stipitis CBS 6054, a partir da fração hemicelulósica do sabugo de milho, avaliando a formulação nutricional do meio de fermentação. Como fonte de nitrogênio alternativa foi escolhida o farelo de soja. O hidrolisado hemicelulósico de sabugo de milho (HHSM), obtido por hidrólise ácida, foi concentrado a vácuo e tratado pela elevação e abaixamento de pH. O hidrolisado de farelo de soja foi obtido por hidrólise enzimática (Alcalase, 600C, 100 rpm, 3h). Para avaliar a solubilidade do hidrolisado de farelo de soja em HHSM (pH de 4,0 a 7,0) empregou-se planejamento fatorial 22 completo com análise de superfície de resposta (RSM). A suplementação do HHSM com a proteína de farelo de soja solubilizada em associação ou não com outros nutrientes (ureia e sulfato de amônio) na obtenção de bioetanol por S. stipitis foi avaliada por meio de um planejamento fatorial 23 completo com RSM. A fermentação foi realizada em frascos de Erlenmeyer (125 mL) contendo 50 mL de meio sob agitação de 150 rpm e 30 °C. A concentração de inoculo foi de 1,5 g/L de células. Os resultados mostraram que a hidrólise ácida favoreceu a remoção da fração hemicelulósica (88,05%) com pouca alteração na celulose (10,06%) e da lignina (27,07%) com relação ao material in natura, proporcionando um hidrolisado hemicelulósico rico em xilose (28,30 g/L) com baixas concentrações de compostos fenólicos e furanos. O tratamento do HHSM reduziu seu teor proteico em relação ao hidrolisado concentrado (74,76%) e hidrolisado original (28,53%). O farelo de soja foi de boa qualidade apresentando solubilidade da proteína em KOH igual a 82,99% e índice de urease igual a 0,00. A hidrólise enzimática de farelo de soja hidrolisou 50,45% mais proteína do que a extração aquosa de proteína de farelo de soja, obtendo-se 45 g/L de proteína solubilizada. Na quantificação de proteína pelo método de Lowry foi necessário levar em consideração a presença de espécies interferentes do HHSM. A máxima solubilização da proteína de soja (9,02 g/L) em HHSM foi obtida maximizando a concentração de hidrolisado de farelo de soja (5,0 g/L). O pH, nos níveis estudados, não influenciou a solubilização da proteína de soja em HHSM. Pela RMS, o valor máximo para o fator de conversão de açúcares em etanol (0,20 g/g) pode ser alcançado empregando-se hidrolisado de farelo de soja em seu nível superior (5,0 g/L) e uréia (3 g/L) e sulfato de amônio (3,0 g/L) em seus pontos centrais. A fonte de proteína de farelo de soja solubilizada em HHSM tem potencial como fonte de nitrogênio alternativa na produção de bioetanol por Scheffersomyces stipitis. / The corn cob, due to its lignocellulosic structure, can be used as a biomass renewable source for soluble sugars can be converted into high value-added products, such as ethanol and others. Acid hydrolysis is the mostly used method to obtain hemicellulosic hydrolysate from lignocellulosic materials, leading to the obtaining of the xylose sugar at the highest concentration, from their hemicellulosic fraction. The xylose fermenting yeast Scheffersomyces stipitis is among the few organisms that utilize both xylose and glucose regulatory systems and exhibits a transition between the respiratory and fermentative processes. This work aims to contribute to the development of a technology to obtain bioethanol by Scheffersomyces stipitis CBS 6054, from the corn cob hemicellulosic fraction, evaluating the nutritional formulation of the fermentation medium. As an alternative of nitrogen source, it was chosen soybean bran. The corn cob hemicellulosic hydrolysate (HHSM) was obtained by acid hydrolysis, vacuum evaporated and treated by pH variation. Hydrolysate of soybean bran was obtained by enzymatic hydrolysis (Alcalase, 60°C, 100 rpm, 3h). The solubility evaluation of the hydrolysate of soybean bran in HHSM (pH 4.0 to 7.0) was performed by 22 full factorial design using response surface methodology (RSM). The supplementation of HHSM with solubilized soybean bran protein associated or not with other nutrients (urea and ammonium sulphate) to obtain bioethanol employed a 23 full factorial design using RSM. The fermentation was carried out in Erlenmeyer flasks (125 mL) containing 50mL of medium stirred at 150rpm and 30 °C. The inoculum concentration was 1.5 g/L of cells. The results showed that the acid hydrolysis favored removal of the hemicellulosic fraction (88.05%) with little change in cellulose (10.06%) and lignin (27.07%) compared to the in natura material, providing a hemicellulosic hydrolysate rich in xylose (28.30 g/L) with low concentrations of phenolics compounds and furans. Treatment of HHSM reduced protein content in the vaccum evaporated hydrolysate (74.76%) and original hydrolysate (28.53%). Soybean bran had good quality as shown by the protein solubility of KOH of 82.99 % and by urease index of 0.00. The soybean bran enzymatic hydrolysis produced 50.45% more protein than aqueous soybean bran protein extraction, yielding 45 g/L of solubilized protein. In the determination of protein content by the Lowry method was necessary to take into account the presence of interfering species of the HHSM. The maximum soybean bran protein solubility (9.01 g/L) was obtained maximizing the concentration of hydrolysate of soybean bran (5.0 g /L) in HHSM. In the range studied in this work, the pH did not influence the solubility of soybean bran protein in HHSM. For the response surface methodology, the maximum value for the ethanol yield (0.20 g/g.) can be achieved employing hydrolysate of soybean bran in its upper level (5.0 g/L) and urea (3 g/L) and ammonium sulfate (3 g/L) in their center points. The source of soybean bran protein solubilized in HHSM has potential as an alternative nitrogen source for bioethanol production by Scheffersomyces stipitis.

Atualmente é grande o interesse pelo aproveitamento da biomassa vegetal visando à obtenção de bioetanol de segunda geração. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção de etanol de segunda geração a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pelas leveduras Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 e Candida shehatae UFMG HM 52.2 visando à aplicação em bioprocessos com campo eletromagnético. Salienta-se ainda que a importância do presente trabalho se dá, não apenas pelo caráter inovador desta pesquisa, mas também pelo fato do bioeletromagnetismo e particularmente biorreatores assistidos por campos eletromagnéticos constituírem uma recente e promissora área de pesquisa na biotecnologia onde é possível estudar alternativas que resultem no aumento do rendimento e/ou da produtividade do processo de fermentação. Numa primeira etapa, foram realizados experimentos em bateladas simples em meio contendo hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar previamente destoxificado e suplementado com extrato de levedura para a avaliação da influência das variáveis pHinicial, agitação e vazão de ar no fator de conversão de açúcares em etanol para cada uma das leveduras, de acordo com um planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto central. As melhores condições operacionais obtidas para a levedura S. stipitis NRRL Y-7124 foram 100 rpm, 0,7 vvm e pHinicial de 6,50 com um kLainicial de 3 h-1 as quais exerceram uma influência positiva sobre o processo fermentativo, obtendo-se valores de YP/S de 0,16 g/g e QP de 0,10 g L-1 h-1. Para a levedura C. shehatae UFMG HM 52.2 as condições foram 100 rpm, 0,1 vvm e pHinicial de 6,50 com um kLainicial de 0,2 h-1 obtendo-se valores de YP/S de 0,44 g/g e QP de 0,25 g L-1 h-1. Segundo os resultados obtidos, observou-se que a levedura C. shehatae apresentou maiores valores de fator de rendimento e produtividade em etanol quando comparados à levedura S. stipitis. Posteriormente, foi avaliada a influência da configuração do campo eletromagnético no processo de fermentação de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar empregando a levedura C. shehatae imobilizada em polímero com propriedades magnéticas. Os resultados da influência das configurações do campo eletromagnético (axial e transveral) foram positivos observando-se aumento de 47 % na produção de etanol (configuração axial) em relação ao experimento controle (sem campo). Este estudo demonstrou que a levedura C. shehatae UFMG HM 52.2 apresentou-se com melhor performance fermentativa no hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar quando comparada à levedura S. stipitis e que os campos eletromagnéticos são uma tecnologia promissora no processo de obtenção de bietanol. / Currently the use of biomass is of huge interest into the second generation bioethanol process. Into this field, fermentation is a key process with numerous opportunities for innovation. Electromagnetic fields bioreactors stand for a new and promising research area for the yield and/or productivity improvement of fermentation process. This study focused on the utilization of hemicellulose hydrolysate from sugarcane bagasse for ethanol production by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 and Candida shehatae UFMG HM 52.2 strains intended to be applied in the electromagnetic-based bioprocesses. A 23 full factorial Central Composite Design (CCD), including three replications at the center point was applied to evaluate the effect of initial pH, agitation and air-flow rate on sugars to ethanol conversion for both strains. The experiments were carried out using stirred tank batch fermentor with medium supplemented with yeast extract and containing hemicellulose hydrolysate previously detoxified. S. stipitis showed the best ethanol production operating conditions obtained at 100 rpm, 0.7 vvm and initial pH 6.50 with kLainicial of 3 h-1 obtaining YP/S of 0.16 g/g and QP of 0.10 g L-1 h-1. For C. shehatae, the best conditions of 100 rpm, 0.1 vvm and pHinitial of 6.50 with kLainicial of 0.2 h-1 obtained YP/S of 0.44 g/g and QP of 0.25 g L-1 h-1. The results showed that yield and ethanol productivity for C. shehatae strain was higher comparing to S. stipitis. Subsequently, the influence of electromagnetic field configuration in the fermentation process of sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate was evaluated using immobilized C. shehatae in a polymer with magnetic properties. The application of electromagnetic field configuration (axial and transversal) favored the ethanol production, observing at increase of 47 % in ethanol production (axial configuration) compared to the control experiment (no electromagnetic field). The present study demonstrated that C. shehatae yeast shows high fermentative potential for sugarcane hemicellulose hydrolyzate when compared to S. stipitis strain, and that electromagnetic fields are a promising technology tool to be used into the bioethanol process.

No Brasil, vários grupos de pesquisa vêm se empenhando em desenvolver estratégias que visam ao aproveitamento da biomassa vegetal, principalmente biomassa de cana-de-açúcar, para a produção de etanol de segunda geração (2G), o que coloca o País numa posição de destaque no cenário internacional, na busca por alternativas para a produção de energia de forma sustentável e economicamente competitiva. Dentro deste contexto, este trabalho avaliou a obtenção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pela levedura Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, pela determinação das melhores condições de suplementação do meio de cultivo e das condições operacionais em processo descontínuo e descontínuo alimentado. Na etapa de estabelecimento da suplementação do meio de cultivo foi empregado um planejamento experimental fracionado 29-5 com três repetições no ponto central e um planejamento de mistura. As melhores condições foram (2,0 g/L) extrato de levedura, (0,5 g/L) fosfato de potássio, (0,5 g/L) peptona, (0,5 g/L) sulfato de magnésio e (0,01 g/L) sulfato de zinco. Quanto ao estabelecimento das condições operacionais pHinicial, agitação e vazão de ar em biorreator, utilizou-se um planejamento central composto rotacional com três repetições no ponto central. As melhores condições encontradas foram pHinicial 6,0, agitação 225 rpm e aeração 0,45 vvm obtendo-se um fator de conversão em etanol (YP/S) de 0,23 g/g e produtividade (QP) de 0,18 g/L/h. Posteriormente foram realizados processos de fermentação descontínua e descontínua alimentada empregando-se as melhores condições definidas. No processo descontínuo, observou-se a produção de 9,94 g/L de etanol, correspondendo a valores de QP de 0,28 g/L/h, enquanto a utilização do processo descontínuo alimentado resultou em favorecimento de 37,3%, 75% nos valores de etanol formado (13,75 g/L), QP (0,49 g/L/h), respectivamente. Os resultados indicaram que um meio de cultivo suplementado com adição de poucos nutrientes aliado ao emprego de fermentação em modo descontínuo alimentado é uma estratégia promissora para a produção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. / In Brazil, research groups have been striving to develop strategies aimed at the use of plant biomass, and second generation ethanol has made the country a leader in this area. Energy and sustainability solutions are key to making this technology more competitive to meet the growing demand for biofuels. In this work, the acquisition of 2G ethanol from sugarcane hemicellulose hydrolyzate in culture medium optimized by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 yeast residue was evaluated. Simple batch and fed batch operational conditions were evaluated for use in bioprocesses. Experiments were performed in Erlenmeyer flasks with medium containing sugarcane bagasse hemicellulose hydrolyzate, which was detoxified using the yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, in order to optimize the culture medium according to a fractional factorial design of 29-5, with three repetitions at the midpoint, and a mix plan. The best optimized conditions were yeast extract (2.0 g/L), potassium phosphate (0.5 g/L), peptone (0.5 g/L), magnesium sulfate (0.5 g/L) and zinc sulfate (0.01 g/L). Soon after, pHinicial variables, agitation, and air flow rate were optimized in the bioreactor using a central composite rotational design with three repetitions at the midpoint. The best conditions were found with pHinicial at 6.0, agitation at 225 rpm and aeration at 0.45 vvm, which obtained a YP/S of 0.23 g/g and a QP of 0.18 g/L/h. The performance of Scheffersomyces stipitis yeast in a discontinuous fed-batch process with optimized conditions were also evaluated. In the process, the simple batch reached a 9.94 g/L ethanol production a QP of 0.28 g/L/h. While yeast performance in the fed-batch process was resulted in improvement 37.3%, 75% ethanol formed values (13.75 g/L), and productivity (0.49 g/L/h), respectively. The results indicated that the culture medium supplemented with addition of a few nutrients together with the use of fermentation in fed-batch is a promising for the production of 2G ethanol from sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate.

No Brasil, vários grupos de pesquisa vêm se empenhando em desenvolver estratégias que visam ao aproveitamento da biomassa vegetal, principalmente biomassa de cana-de-açúcar, para a produção de etanol de segunda geração (2G), o que coloca o País numa posição de destaque no cenário internacional, na busca por alternativas para a produção de energia de forma sustentável e economicamente competitiva. Dentro deste contexto, este trabalho avaliou a obtenção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pela levedura Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, pela determinação das melhores condições de suplementação do meio de cultivo e das condições operacionais em processo descontínuo e descontínuo alimentado. Na etapa de estabelecimento da suplementação do meio de cultivo foi empregado um planejamento experimental fracionado 29-5 com três repetições no ponto central e um planejamento de mistura. As melhores condições foram (2,0 g/L) extrato de levedura, (0,5 g/L) fosfato de potássio, (0,5 g/L) peptona, (0,5 g/L) sulfato de magnésio e (0,01 g/L) sulfato de zinco. Quanto ao estabelecimento das condições operacionais pHinicial, agitação e vazão de ar em biorreator, utilizou-se um planejamento central composto rotacional com três repetições no ponto central. As melhores condições encontradas foram pHinicial 6,0, agitação 225 rpm e aeração 0,45 vvm obtendo-se um fator de conversão em etanol (YP/S) de 0,23 g/g e produtividade (QP) de 0,18 g/L/h. Posteriormente foram realizados processos de fermentação descontínua e descontínua alimentada empregando-se as melhores condições definidas. No processo descontínuo, observou-se a produção de 9,94 g/L de etanol, correspondendo a valores de QP de 0,28 g/L/h, enquanto a utilização do processo descontínuo alimentado resultou em favorecimento de 37,3%, 75% nos valores de etanol formado (13,75 g/L), QP (0,49 g/L/h), respectivamente. Os resultados indicaram que um meio de cultivo suplementado com adição de poucos nutrientes aliado ao emprego de fermentação em modo descontínuo alimentado é uma estratégia promissora para a produção de etanol 2G a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana. / In Brazil, research groups have been striving to develop strategies aimed at the use of plant biomass, and second generation ethanol has made the country a leader in this area. Energy and sustainability solutions are key to making this technology more competitive to meet the growing demand for biofuels. In this work, the acquisition of 2G ethanol from sugarcane hemicellulose hydrolyzate in culture medium optimized by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 yeast residue was evaluated. Simple batch and fed batch operational conditions were evaluated for use in bioprocesses. Experiments were performed in Erlenmeyer flasks with medium containing sugarcane bagasse hemicellulose hydrolyzate, which was detoxified using the yeast Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124, in order to optimize the culture medium according to a fractional factorial design of 29-5, with three repetitions at the midpoint, and a mix plan. The best optimized conditions were yeast extract (2.0 g/L), potassium phosphate (0.5 g/L), peptone (0.5 g/L), magnesium sulfate (0.5 g/L) and zinc sulfate (0.01 g/L). Soon after, pHinicial variables, agitation, and air flow rate were optimized in the bioreactor using a central composite rotational design with three repetitions at the midpoint. The best conditions were found with pHinicial at 6.0, agitation at 225 rpm and aeration at 0.45 vvm, which obtained a YP/S of 0.23 g/g and a QP of 0.18 g/L/h. The performance of Scheffersomyces stipitis yeast in a discontinuous fed-batch process with optimized conditions were also evaluated. In the process, the simple batch reached a 9.94 g/L ethanol production a QP of 0.28 g/L/h. While yeast performance in the fed-batch process was resulted in improvement 37.3%, 75% ethanol formed values (13.75 g/L), and productivity (0.49 g/L/h), respectively. The results indicated that the culture medium supplemented with addition of a few nutrients together with the use of fermentation in fed-batch is a promising for the production of 2G ethanol from sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate.

Atualmente é grande o interesse pelo aproveitamento da biomassa vegetal visando à obtenção de bioetanol de segunda geração. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção de etanol de segunda geração a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar pelas leveduras Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 e Candida shehatae UFMG HM 52.2 visando à aplicação em bioprocessos com campo eletromagnético. Salienta-se ainda que a importância do presente trabalho se dá, não apenas pelo caráter inovador desta pesquisa, mas também pelo fato do bioeletromagnetismo e particularmente biorreatores assistidos por campos eletromagnéticos constituírem uma recente e promissora área de pesquisa na biotecnologia onde é possível estudar alternativas que resultem no aumento do rendimento e/ou da produtividade do processo de fermentação. Numa primeira etapa, foram realizados experimentos em bateladas simples em meio contendo hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar previamente destoxificado e suplementado com extrato de levedura para a avaliação da influência das variáveis pHinicial, agitação e vazão de ar no fator de conversão de açúcares em etanol para cada uma das leveduras, de acordo com um planejamento fatorial completo 23 com três repetições no ponto central. As melhores condições operacionais obtidas para a levedura S. stipitis NRRL Y-7124 foram 100 rpm, 0,7 vvm e pHinicial de 6,50 com um kLainicial de 3 h-1 as quais exerceram uma influência positiva sobre o processo fermentativo, obtendo-se valores de YP/S de 0,16 g/g e QP de 0,10 g L-1 h-1. Para a levedura C. shehatae UFMG HM 52.2 as condições foram 100 rpm, 0,1 vvm e pHinicial de 6,50 com um kLainicial de 0,2 h-1 obtendo-se valores de YP/S de 0,44 g/g e QP de 0,25 g L-1 h-1. Segundo os resultados obtidos, observou-se que a levedura C. shehatae apresentou maiores valores de fator de rendimento e produtividade em etanol quando comparados à levedura S. stipitis. Posteriormente, foi avaliada a influência da configuração do campo eletromagnético no processo de fermentação de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar empregando a levedura C. shehatae imobilizada em polímero com propriedades magnéticas. Os resultados da influência das configurações do campo eletromagnético (axial e transveral) foram positivos observando-se aumento de 47 % na produção de etanol (configuração axial) em relação ao experimento controle (sem campo). Este estudo demonstrou que a levedura C. shehatae UFMG HM 52.2 apresentou-se com melhor performance fermentativa no hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar quando comparada à levedura S. stipitis e que os campos eletromagnéticos são uma tecnologia promissora no processo de obtenção de bietanol. / Currently the use of biomass is of huge interest into the second generation bioethanol process. Into this field, fermentation is a key process with numerous opportunities for innovation. Electromagnetic fields bioreactors stand for a new and promising research area for the yield and/or productivity improvement of fermentation process. This study focused on the utilization of hemicellulose hydrolysate from sugarcane bagasse for ethanol production by Scheffersomyces stipitis NRRL Y-7124 and Candida shehatae UFMG HM 52.2 strains intended to be applied in the electromagnetic-based bioprocesses. A 23 full factorial Central Composite Design (CCD), including three replications at the center point was applied to evaluate the effect of initial pH, agitation and air-flow rate on sugars to ethanol conversion for both strains. The experiments were carried out using stirred tank batch fermentor with medium supplemented with yeast extract and containing hemicellulose hydrolysate previously detoxified. S. stipitis showed the best ethanol production operating conditions obtained at 100 rpm, 0.7 vvm and initial pH 6.50 with kLainicial of 3 h-1 obtaining YP/S of 0.16 g/g and QP of 0.10 g L-1 h-1. For C. shehatae, the best conditions of 100 rpm, 0.1 vvm and pHinitial of 6.50 with kLainicial of 0.2 h-1 obtained YP/S of 0.44 g/g and QP of 0.25 g L-1 h-1. The results showed that yield and ethanol productivity for C. shehatae strain was higher comparing to S. stipitis. Subsequently, the influence of electromagnetic field configuration in the fermentation process of sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolyzate was evaluated using immobilized C. shehatae in a polymer with magnetic properties. The application of electromagnetic field configuration (axial and transversal) favored the ethanol production, observing at increase of 47 % in ethanol production (axial configuration) compared to the control experiment (no electromagnetic field). The present study demonstrated that C. shehatae yeast shows high fermentative potential for sugarcane hemicellulose hydrolyzate when compared to S. stipitis strain, and that electromagnetic fields are a promising technology tool to be used into the bioethanol process.