Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5338.pdf: 2812584 bytes, checksum: c4ea2f65f591bec0e6ad7105c6ec591e (MD5) Previous issue date: 2013-06-20 / Universidade Federal de Minas Gerais / In this work, it was studied the simultaneous isomerization and fermentation of xylose to ethanol (SIF) using xylose isomerase (XI) and S. cerevisiae co-immobilized in calcium alginate gel. XI was immobilized on chitosan gel activated with glutaraldehyde (IXI-Ch). The influence of the concentration of enzyme/yeast in the reactor, the pH, temperature and yeast strain on yield and selectivity in ethanol was studied. The concentrations of enzyme and yeast in the reactor were varied by changing the mass of IXI-Ch and yeast per gram of alginate solution, maintaining fixed the ratios of biocatalyst weight: volume of medium in the reactor (1:1). The SIFs were carried out in batch with xylose (65g.L-1), antibiotics and other salts. The first experiment, with 16% Itaiquara® yeast and 5% enzyme biocatalyst (% wenzyme or yeast/wbiocatalyst) showed that pH drop occurred during the test, preventing full conversion of xylose, due to reduced enzyme activity. calcium carbonate (0.5-1.0%) was then included in the biocatalyst, which maintained the pH between 5,2 to 5,6, allowing complete conversion of the sugar at all concentrations tested (%Yeast -Enzyme in biocatalyst): 5-20, 17-5, and 10 yeast (Itaiquara ®) with 5, 10 and 20-. The maximum ethanol productivity, 2,44 ± 0,26g.L-1.h- 1 was obtained for the highest cell concentration and the highest selectivity ethanol/xylitol, 2,57 ± 0.4 and 2,42 ± 0,01 for the highest enzyme concentrations (10 and 20% with 10% yeast). These results indicated that the highest concentration of xylulose favored more selectivity to ethanol. Fermentation was then performed using no enzyme in biocatalyst with a prior isomerized syrup concentrated in xylulose containing 58g.L-1 xylulose and 9g.L-1 xylose and another with xylose only. At first, xylulose was completely assimilated in 5 hours, xylose was barely consumed in both assays, and ethanol selectivity was lower than that obtained in the SIF tests. Xylitol show thus to be produced mainly from xylulose and selectivity contrary to expectations did not directly increase with increasing xylulose concentration, indicating that the formation of ethanol/xylitol depends not only on external xylulose, and it is probably finely regulated in yeast. The concentrations of enzyme and yeast 20 and 10% (equivalent to 100gderived.L-1 reactor and 50gwd.L-1 reactor) were selected as the best, which were used to study the influence of pH and temperature, and also different strains. The increase of initial pH from 5.6 to 6.5 did not improve the productivity, yield, neither selectivity in ethanol. Temperatures tested for Itaiquara ® were 32, 35 and 37 ° C, and for industrial strains CAT-1 and BG-1: 32, 37 and 40 ° C. Viability remained above 90% for all assays at 24 hours. All three strains showed increased selectivity in ethanol with temperature reduction, obtaining the maximum selectivity for industrial strains (3,06 ± 0,24 - CAT-1 and 3,19 ± 0,11 BG-1) with yield and productivity equal or greater than those obtained in higher temperatures. At 32 ° C and pH 5.6, Itaiquara ® showed lower conversion time, but lower selectivity, while the BG-1, demonstrated the highest selectivity, but low conversion and productivity. The strain CAT-1 combines high productivity, 2,17 ± 0,17 g.L-1.h-1, and selectivity, 3,06 ± 0,24, with 90% conversion in 9 hours, 32 ° C, which is apparently the best performance among the tested yeasts. The results were very promising, indicating the technical feasibility of producing ethanol from xylose with the biocatalyst developed. / Neste trabalho foi estudada a simultânea isomerização e fermentação de xilose a etanol (SIF) usando xilose isomerase (XI) e S. cerevisiae coimobilizadas em gel de alginato de cálcio. XI foi imobilizada em gel de quitosana ativado com glutaraldeido (IXI-Ch).. Foram estudadas as influências das concentrações de enzima/levedura no reator, do pH, da temperatura e da linhagem de levedura na produtividade e na seletividade em etanol. As concentrações de enzima e levedura no reator foram variadas mudando-se a massa de IXI-Ch e levedura por grama de solução de alginato, mantendo-se fixas as proporções 1:1 massa de biocatalisador:volume de meio no reator. As SIFs foram realizadas em batelada com xilose (~65g.L-1), antibiótico e outros sais. O primeiro experimento realizado, biocatalisador com 16% levedura Itaiquara® e 5% enzima (% menzima ou levedura/mbiocatalisador), mostrou que ocorria queda de pH durante o ensaio, impedindo conversão total da xilose, devido à redução da atividade enzimática. Foi incluído carbonato de cálcio 0,5-1,0% no biocatalisador, o que manteve o pH entre 5,2-5,6, permitindo total conversão do açúcar, em todas as concentrações testadas (%Levedura-Enzima no biocatalisador): 5-20, 17-5 e 10 levedura (Itaiquara®)com 5, 10 e 20% enzima. A máxima produtividade em etanol, 2,44 ± 0,26g.L-1.h-1, foi obtida para a mais alta concentração celular e a mais alta seletividade etanol/xilitol, 2,57± 0,4 e 2,42± 0,01, para as mais altas concentrações de enzima (10 e 20% com 10% levedura). Esses resultados indicavam que quanto mais alta a concentração de xilulose, mais favorecida a seletividade em etanol. Foi então realizada uma fermentação usando o biocatalisador sem enzima, com um xarope previamente isomerizado e concentrado em xilulose contendo 58g/L de xilulose e 9g/L xilose e outro apenas com xilose. No primeiro, xilulose foi totalmente assimilada em 5 horas, xilose foi pouco consumida nos dois ensaios, e a seletividade em etanol foi menor que a obtida nos ensaios SIF. Xilitol mostrou, assim, ser produzido majoritariamente a partir de xilulose e contrariamente ao esperado a seletividade não aumenta diretamente com o aumento da concentração de xilulose, indicando que o metabolismo etanol/xilitol não depende apenas da concentração externa de xilulose, devendo ser finamente regulado dentro da levedura. Selecionaram-se as concentrações de enzima e levedura de 20 e 10% (equivalente a 100gderivado.L-1 reator e 50gms.L-1 reator) como as melhores, as quais foram utilizadas para estudo da influência do pH e da temperatura e ainda de diferentes linhagens. O aumento do pH inicial do meio de 5,6 para 6,5 não favoreceu a produtividade, rendimento e nem a seletividade em etanol. As temperaturas testadas para Itaiquara® foram: 32, 35 e 37°C; e para as linhagens industriais CAT-1 e BG-1: 32, 37 e 40°C. A viabilidade manteve-se acima de 90% para todos os ensaios em 24 horas. As três linhagens mostraram aumento da seletividade em etanol com a redução da temperatura, obtendo-se a máxima seletividade para as linhagens industriais (3,06± 0,24- CAT-1 e 3,19± 0,11 BG-1), com rendimento e produtividade iguais ou maiores que os obtidos nas temperaturas maiores. A 32°C e pH 5,6, Itaiquara® apresentou menor tempo de conversão, mas a menor seletividade, já a BG-1, obteve maior seletividade, mas baixa conversão, rendimento e produtividade. A linhagem CAT-1 alia alta produtividade, 2,17 ± 0,17 (g.L-1.h-1), e seletividade, 3,06 ± 0,24, com 90% de conversão em 9 horas, 32°C, sendo aparentemente a de melhor desempenho dentre as testadas. Os resultados foram muito promissores, indicando viabilidade técnica de produção de etanol a partir de xilose com o biocatalisador desenvolvido.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5322.pdf: 3668179 bytes, checksum: e3612c159bebd3f0a5be1640868316ae (MD5) Previous issue date: 2013-03-21 / Financiadora de Estudos e Projetos / The conversion of the hemicellulosic fraction in ethanol is a factor that impacts on the economic viability of the second generation ethanol production process from sugar cane bagasse. Hemicellulose from bagasse is a heteropolymer constituted by pentoses and glucose, being xylose the predominant sugar (~ 21 %). Among the available technological alternatives for ethanol production from xylose, SIF process (Simultaneous Isomerization and Fermentation), consisting of xylose conversion to xylulose by glucose isomerase (GI) enzyme and xylulose fermentation by the yeast S. cerevisiae, is considered a promising alternative. The main objectives of the present work were: i) evaluate the performance of different S. cerevisiae strains towards xylulose intake and ethanol productivity; ii) assess the influence of cultivation conditions (temperature, oxygen availability and initial xylose concentration) upon ethanol and xylitol production by the selected strains; iii) define the operation conditions for the continuous SIF process, using a system of fixed bed reactors associated in series. Preliminary experiments were conducted in 50 mL flasks, containing 4 g of pellets with a load of 20 % of immobilized GI, co-immobilized with yeast (load of 10 %) in alginate gel. For the screening of yeasts showing better performance on ethanol production from xylose, two commercial baker´s yeast strains (Itaiquara® e Fleischmann®), three industrial strains (BG-1, CAT-1 e PE-2) and one lab strain (CEN.PK113-7D) were evaluated. These experiments were performed at 35 oC, using a medium composed by xylose (60 g/L), urea (5 g/L), CaCl2 (1.9g/L) and several salts, at initial pH of 5.6. Additional SIF studies were carried out with the selected yeasts Itaiquara®, BG-1 or CEN.PK113-7D under different temperature conditions (40 oC), aeration (15 mL flasks) and initial xylose concentration (130 g/L) for comparison with the results obtained at the standard conditions. For SIF cultures, samples were withdrawal and the concentrations of reducing sugars were determined by DNS method while xylose, xylulose, ethanol and by-products (xylitol, glycerol etc) concentrations were assessed by liquid chromatography. Cell viability was also measured at the beginning and end of the experiment. When comparing the different yeasts, Itaiquara® strain presented the best performance, reaching ethanol concentrations of 22.4 g/L, with a productivity of 2.1 g/Lh. The conversion of xylose was similar for all studied industrial strains as well as among the baker s yeast and lab strains. Concerning the group of additional experiments, at 40 oC, a decrease of viability and ethanol selectivity was observed for Itaiquara®, whereas productivity and selectivity for CEN.PK113-7D. was improved. For the studies conducted under semianaerobic conditions, the yeast BG-1 showed an increase in selectivity and yield. However, the reaction time increased to app. 45 hours. On the other hand, the performance of strain Itaiquara® was not altered by the lower level of oxygen tested. In the experiment with 120 g/L of xylose, more than 40 g/L of ethanol was obtained in 24 hours of cultivation. Thus, we conclude that the SIF process proposed in the present work is a viable alternative for the production of ethanol from xylose or lignocellulosic residues. For the operation of the continuous system composed by fixed bed reactors associated in series, the recommended conditions include the Itaiquara® yeast with a temperature no higher than 35 oC, keeping the total residence time around 10 hours for a feeding supply containing 60 g/L of xylose. / A conversão da fração hemicelulósica da biomassa em etanol é um dos fatores que impactam a viabilidade econômica do processo de produção de etanol de segunda geração a partir do bagaço de cana-de-açúcar. A hemicelulose do bagaço é um heteropolímero constituído por pentoses e glicose, sendo a xilose o açúcar predominante (~ 21 %). Dentre as diversas alternativas tecnológicas para a produção de etanol a partir de xilose, o processo SIF (Simultânea Isomerização e Fermentação), consistindo na isomerização da xilose em xilulose pela enzima glicose-isomerase (GI) e na fermentação da xilulose pela levedura S. cerevisiae, é considerado uma alternativa promissora. Os principais objetivos do presente trabalho foram: i) avaliar o desempenho de diferentes cepas de S. cerevisiae em termos de assimilação de xilulose e produtividade em etanol; ii) estudar a influência das condições de cultivo (disponibilidade de oxigênio, temperatura e da concentração inicial de xilose) na produção de etanol e xilitol pelas cepas selecionadas; iii) definir as condições de operação para um processo SIF contínuo em sistema de reatores de leito fixo associados em série. Os experimentos preliminares foram conduzidos em frascos de 50 mL contendo 4 g de pelletes com carga de 20 % de glicose isomerase imobilizada, coimobilizada com levedura (carga de 10%) em gel de alginato. Para a seleção da levedura com melhor desempenho na produção de etanol a partir de xilose, foram avaliadas duas linhagens de levedura de panificação comercial (Itaiquara® e Fleischmann®), três cepas industriais (BG-1, CAT-1 e PE-2) e uma utilizada em laboratório (CEN.PK113-7D). Esses experimentos SIF foram conduzidos a 35ºC utilizando meio composto por xilose (60 g/L), ureia (5 g/L), CaCl2 (1,9 g/L) e sais diversos, em pH inicial 5,6. Experimentos SIF complementares foram realizados com as leveduras selecionadas Itaiquara®, BG-1 ou CEN.PK113-7D em diferentes condições de temperatura (40oC), aeração (frascos de 15 mL) e concentração inicial de xilose (130 g/L) para comparação com os resultados obtidos nas condições padrão. Em todos os experimentos SIF, amostras foram retiradas para determinação da concentração de açúcares redutores (método DNS) e de xilose, xilulose, etanol e subprodutos (xilitol, glicerol etc.) por cromatografia em fase líquida. Foi também acompanhada a viabilidade celular ao longo do cultivo. Na comparação entre as diferentes leveduras, destacou-se especialmente a levedura Itaiquara®, alcançando concentrações de etanol de 22,4 g/L, com produtividade em etanol de 2,1 g/Lh. A conversão de xilose foi semelhante entre as leveduras industriais e entre as leveduras de panificação e a de laboratório. Quanto ao conjunto de experimentos complementares, na temperatura de 40ºC houve diminuição de viabilidade e seletividade em etanol para a Itaiquara® e melhora na produtividade e seletividade para a CEN.PK113-7D. Nos experimentos realizados em condições semianaeróbias, a levedura BG-1 apresentou aumento de seletividade e rendimento em etanol, porém para um tempo de reação de 45 horas, aproximadamente. Já a levedura Itaiquara® não teve seu desempenho influenciado pela menor disponibilidade de oxigênio. No experimento realizado com 130 g/L de xilose, alcançou-se mais de 40 g/L de etanol em 24 horas de cultivo. Conclui-se, assim, que o processo SIF de xilose, proposto no presente trabalho, é uma alternativa viável para a produção de etanol a partir de xilose ou de resíduos lignocelulósicos. Para a operação em sistema contínuo composto por reatores de leito fixo associados em série recomenda-se a utilização de levedura Itaiquara® e de temperatura de, no máximo, 35ºC, mantendo-se o tempo de residência total em torno de 10 horas para uma alimentação contendo 60 g/L de xilose.