O presente estudo teve como objetivo avaliar a produção de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de palha de arroz empregando células de Candida guilliermondii permeabilizadas com Triton X-100. Para a obtenção do hidrolisado hemicelulósico foram realizadas etapas de pré-tratamento da palha de arroz sob condições previamente otimizadas pelo grupo de pesquisa, incluindo um tratamento alcalino seguido de tratamento com ácido diluído. Inicialmente, foi avaliado o efeito do meio de permeabilização celular (meio semi-definido ou hidrolisado hemicelulósico) sobre a biotransformação de xilose em xilitol empregando hidrolisado hemicelulósico. Numa segunda etapa, foi avaliado o efeito de tampão fosfato de potássio e MgCl2.6H2O sobre o processo de biotransformação empregando hidrolisado não detoxificado e detoxificado com carvão ativado através de um planejamento experimental 22. As condições de biotransformação foram mantidas a 35 °C, pH 6,8, com uma suspensão celular de 10-12 g/L. Neste estudo ficou demonstrado que a biotransformação do hidrolisado empregando células permeabilizadas em meio semi-definido, mostrou uma produtividade volumétrica em xilitol (QP = 1,86 g/L.h) de 34,8 % superior à obtida com células permeabilizadas no próprio hidrolisado (QP = 1,38 g/L.h), enquanto os fatores de conversão de xilose em xilitol foram semelhantes (~0,57 g/g) independente do meio de permeabilização. Foi observado que a adição de tampão fosfato de potássio e/ou MgCl2.6H2O ao hidrolisado hemicelulósico (não detoxificado e detoxificado) não promoveu qualquer efeito sobre a biotransformação de xilose em xilitol, obtendo-se em média uma produtividade volumétrica de 2,0 g/L.h e um fator de conversão de 0,57 g/g. O impacto da permeabilização celular com Triton X-100 sobre a biotransformação de xilose em xilitol empregando hidrolisado hemicelulósico não detoxificado e sem qualquer adição de sais foi de um aumento de 40 % na produtividade volumétrica e de 32 % no fator de conversão de xilose em xilitol. As células permeabilizadas com Triton X-100 também mostraram elevada estabilidade. Os valores de produtividade volumétrica e fator de conversão de xilose em xilitol foram mantidos em 4 ciclos de 15 horas cada em bateladas repetidas, os quais apresentaram em média 1,93 g/L.h e 0,59 g/g, respectivamente. Estes resultados mostram que a permeabilização celular é uma potencial estratégia para a biotransformação de xilose em xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de palha de arroz, pois além de aumentar os parâmetros da biotransformação, não promoveu queda da viabilidade celular e permitiu o reuso das células. / The present study aimed to evaluate the production of xylitol from hemicellulosic rice straw hydrolyzate using Candida guilliermondii cells permeabilized with Triton X-100. To obtain the hemicellulosic hydrolyzate, pre-treatment steps were performed on rice straw under conditions previously optimized by the research group, including an alkaline treatment followed by diluted acid treatment. Initially, the effect of the cellular permeabilization medium (semi-defined medium or hemicellulosic hydrolyzate) on the biotransformation of xylose in xylitol using a hemicellulosic hydrolyzate was evaluated. In a second step, the effect of potassium phosphate buffer and MgCl2.6H2O on the biotransformation process was evaluated using non-detoxified hydrolyzate and detoxified with activated charcoal through an experimental design 22. The biotransformation conditions were maintained at 35 °C, pH 6,8, with a cell suspension of 10-12 g/L. In this study, it was demonstrated that in the biotransformation of xylitol in xylitol by cells permeabilized in semi-defined medium using hemicellulosic hydrolyzate, the volumetric productivity in xylitol (QP = 1,86 g/L.h) was 34,8% higher than that obtained with cells permeabilized in hydroxylate (QP = 1,38 g/L.h), while xylose conversion factors in xylitol were similar (~ 0,57 g/g) independent of the permeabilization medium. It was observed that the addition of potassium phosphate buffer and / or MgCl2.6H2O to the hemicellulosic (non-detoxified and detoxified) hydrolyzate did not have any effect on the biotransformation of xylitol into xylitol, obtaining, on average, a volumetric productivity of 2,0 g/L.h and a conversion factor of 0,57 g/g. The impact of cell permeabilization with Triton X-100 on xylose biotransformation in xylitol using non-detoxified hemicellulosic hydrolyzate and without any addition of salts was a 40% increase in volumetric productivity and 32% in xylose conversion factor in xylitol. Cells permeabilized with Triton X-100 also showed high stability. The values of volumetric productivity and conversion factor of xylose in xylitol were maintained in 4 cycles of 15 hours each in repeated batch, which presented, on average, 1,93 g/L.h and 0,59 g/g, respectively. These results show that cellular permeabilization is a potential strategy for the biotransformation of xylitol in xylitol from hemicellulosic rice straw hydrolyzate, since in addition to increasing the parameters of biotransformation, it did not promote a decrease in cell viability and allowed reuse of the cells.

Microrganismos oriundos de ecossistemas restritivos como o continente Antártico têm despertado grande interesse científico, visto que pesquisas podem resultar em produtos de grande interesse comercial. Visando o melhor aproveitamento da fração hemicelulósica de biomassas vegetais para obtenção de bioprodutos, junto ao potencial biotecnológico das leveduras da Antártica, a presente pesquisa avaliou a tolerância destas ao hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em função de sua concentração, bem como em meio semi-definido. A avaliação das leveduras Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 e 107) e Guehomyces pullulans (L109) foi feita a partir do consumo de xilose, glicose, arabinose, ácido acético, compostos fenólicos totais, produção de xilitol, células e pigmentos. Os cultivos foram realizados em Erlenmeyer de 125 mL, com 50 mL de meio a 200 RPM, a 30 °C por 48h. Considerando que a L109 demonstrou melhor desempenho quanto ao consumo de xilose e produção de xilitol do que as demais leveduras, a mesma foi utilizada para avaliar a influência da suplementação nutricional do hidrolisado sobre estes parâmetros utilizando delineamento composto central rotacional (DCCR). Todas as leveduras consumiram totalmente a glicose independente da concentração do hidrolisado, enquanto o consumo de xilose, arabinose, ácido acético e fenóis totais variaram de acordo com a concentração do hidrolisado e a levedura empregada, da mesma forma para produção de xilitol, células e pigmento. O planejamento realizado (DCCR) demonstrou que o consumo de xilose é favorecido na máxima concentração do extrato de farelo de arroz, e níveis intermediários de (NH4)2SO4, enquanto que a concentração de CaCl2 não foi significativa. Para o fator Yp/s de xilitol, baixos níveis de extrato de farelo de arroz e CaCl2 aumentaram este fator enquanto que o (NH4)2SO4 favoreceu em níveis intermediários. Conclui-se com estes resultados que as leveduras da Antártica são capazes de tolerar o hidrolisado, sendo capazes também de consumir os compostos tóxicos, ácido acético e fenólicos totais. / Microorganisms from restrictive ecosystems such as Antarctica have aroused great scientific interest, since research studies may result in high value-added products. Given the need for better utilization of the hemicellulose fraction of biomass to obtain bioproducts, coupled with great biotechnological potential of the Antarctic yeast. This research evaluated the tolerance of these yeasts related to the hemicellulosic hydrolyzate from sugarcane bagasse at different concentrations, as well as in a semi-defined medium. Performance evaluation of the yeasts was based on consumption of xylose, glucose, arabinose, acetic acid, phenolics compounds, production of xylitol, cells and pigments. The following yeasts were employed: Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 and 107) and Guehomyces pullulans (L109). Cultures were cultivated in 125 mL Erlenmeyer flasks with a 50 mL medium at 200 RPM and 30 °C for 48h. Since the L109 showed a better performance in relation to the xylose consumption and xylitol production than the other yeasts when cultivated in hemicellulosic hydrolyzate diluted with 25% distilled water, the same was used to evaluate the influence of nutritional supplementation of the hemicelulosic hydrolyzate utilizing central composite rotational design (CCRD). All yeasts completely consumed glucose regardless of the hemicelulosic hydrolyzate concentration; while the consumption of xylose, arabinose, acetic acid and phenolics varied according to the concentration of hydrolyzate and yeast employed, the same was observed with xylitol production, cells and pigment. The design (CCRD), demonstrated that the xylose consumption was favored by maximum the concentration of the rice bran extract, and intermediate levels of (NH4)2SO4, whereas the concentration of CaCl2 was not significant. For the conversion into xylitol, low levels of rice bran extract and CaCl2 increased YP/S, while (NH4)2SO4 favored at intermediate levels. It was concluded that the Antarctic yeast tolerate the hydrolyzed, being also able to consume toxic compounds such as acetic acid and phenolic compounds.

Microrganismos oriundos de ecossistemas restritivos como o continente Antártico têm despertado grande interesse científico, visto que pesquisas podem resultar em produtos de grande interesse comercial. Visando o melhor aproveitamento da fração hemicelulósica de biomassas vegetais para obtenção de bioprodutos, junto ao potencial biotecnológico das leveduras da Antártica, a presente pesquisa avaliou a tolerância destas ao hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana em função de sua concentração, bem como em meio semi-definido. A avaliação das leveduras Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 e 107) e Guehomyces pullulans (L109) foi feita a partir do consumo de xilose, glicose, arabinose, ácido acético, compostos fenólicos totais, produção de xilitol, células e pigmentos. Os cultivos foram realizados em Erlenmeyer de 125 mL, com 50 mL de meio a 200 RPM, a 30 °C por 48h. Considerando que a L109 demonstrou melhor desempenho quanto ao consumo de xilose e produção de xilitol do que as demais leveduras, a mesma foi utilizada para avaliar a influência da suplementação nutricional do hidrolisado sobre estes parâmetros utilizando delineamento composto central rotacional (DCCR). Todas as leveduras consumiram totalmente a glicose independente da concentração do hidrolisado, enquanto o consumo de xilose, arabinose, ácido acético e fenóis totais variaram de acordo com a concentração do hidrolisado e a levedura empregada, da mesma forma para produção de xilitol, células e pigmento. O planejamento realizado (DCCR) demonstrou que o consumo de xilose é favorecido na máxima concentração do extrato de farelo de arroz, e níveis intermediários de (NH4)2SO4, enquanto que a concentração de CaCl2 não foi significativa. Para o fator Yp/s de xilitol, baixos níveis de extrato de farelo de arroz e CaCl2 aumentaram este fator enquanto que o (NH4)2SO4 favoreceu em níveis intermediários. Conclui-se com estes resultados que as leveduras da Antártica são capazes de tolerar o hidrolisado, sendo capazes também de consumir os compostos tóxicos, ácido acético e fenólicos totais. / Microorganisms from restrictive ecosystems such as Antarctica have aroused great scientific interest, since research studies may result in high value-added products. Given the need for better utilization of the hemicellulose fraction of biomass to obtain bioproducts, coupled with great biotechnological potential of the Antarctic yeast. This research evaluated the tolerance of these yeasts related to the hemicellulosic hydrolyzate from sugarcane bagasse at different concentrations, as well as in a semi-defined medium. Performance evaluation of the yeasts was based on consumption of xylose, glucose, arabinose, acetic acid, phenolics compounds, production of xylitol, cells and pigments. The following yeasts were employed: Cryptococcus laurentii (L62), Cryptococcus adeliensis (L95), Candida davisiana (L101 and 107) and Guehomyces pullulans (L109). Cultures were cultivated in 125 mL Erlenmeyer flasks with a 50 mL medium at 200 RPM and 30 °C for 48h. Since the L109 showed a better performance in relation to the xylose consumption and xylitol production than the other yeasts when cultivated in hemicellulosic hydrolyzate diluted with 25% distilled water, the same was used to evaluate the influence of nutritional supplementation of the hemicelulosic hydrolyzate utilizing central composite rotational design (CCRD). All yeasts completely consumed glucose regardless of the hemicelulosic hydrolyzate concentration; while the consumption of xylose, arabinose, acetic acid and phenolics varied according to the concentration of hydrolyzate and yeast employed, the same was observed with xylitol production, cells and pigment. The design (CCRD), demonstrated that the xylose consumption was favored by maximum the concentration of the rice bran extract, and intermediate levels of (NH4)2SO4, whereas the concentration of CaCl2 was not significant. For the conversion into xylitol, low levels of rice bran extract and CaCl2 increased YP/S, while (NH4)2SO4 favored at intermediate levels. It was concluded that the Antarctic yeast tolerate the hydrolyzed, being also able to consume toxic compounds such as acetic acid and phenolic compounds.

A presença de compostos inibidores ao metabolismo de microrganismos é a principal dificuldade encontrada para utilização dos hidrolisados hemicelulósicos para produção de etanol e xilitol. Compostos derivados das degradações da lignina, da celulose e hemicelulose são liberados durante a hidrólise ácida da biomassa. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a utilização de diferentes tratamentos de destoxificação de forma combinada, visando a purificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar para obtenção de etanol e xilitol. Os tratamentos utilizados foram: coagulação/floculação de impurezas coloidais, separação por membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, sendo o material de partida foi um hidrolisado de bagaço recém-obtido. O tratamento de coagulação/floculação foi otimizado utilizando planejamento de experimentos do tipo fatorial e na melhor condição promoveu reduções de 53,3% em compostos fenólicos, 34,8% de furfural, 3,7% de HMF, 4,2% de ácido acético e 67,6% da área espectral. Na sequência, o hidrolisado tratado na etapa anterior foi submetido a testes de microfiltração e ultrafiltração. Para esta etapa os melhores resultados foram obtidos utilizando membranas de 100 kDa em polietersulfona. Com este tratamento foi possível reduzir em 11,9% os compostos fenólicos, 23,8% de furfural, 21,5% de HMF e 21,4% de área espectral. Após o tratamento com membranas o hidrolisado foi percolado em resinas de caráter catiônico e aniônico utilizadas em série possibilitando a eliminação de 34,8% de compostos fenólicos, 38,5% de furfural, 74,7% de HMF, 55% de ácido acético e 10,3% da área espectral. Ao final, a combinação de todas as tecnologias de separação estudadas possibilitou remoções maiores que 97% para compostos fenólicos, furfural e HMF o que resultou numa redução da área espectral em 99,3%. O hidrolisado purificado foi concentrado e submetido a testes fermentativos preliminares para produção de etanol e xilitol. Estas bioconversões apresentaram rendimentos de 0,58 g/g em xilitol e 0,29 g/g em etanol por D-xilose consumida, que equivalem a 86% e 83% dos rendimentos obtidos a partir dos meios sintéticos, respectivamente. Estes resultados indicaram que a purificação obtida através do uso combinado da coagulação/floculação, separação por membranas e resinas de troca iônica foram bastante satisfatórios principalmente considerando a fermentabilidade obtida a partir deste substrato em comparação ao meio sintético. / The presence of inhibitory compounds in the metabolism of microorganisms is the main difficulty for the use of hemicellulosic hydrolyzate for ethanol and xylitol production. Compounds derived from lignin, cellulose and hemicellulose degradation are released during the biomass acid hydrolysis. This study aimed to evaluate the use of different detoxification treatments in combination, aimed at purifying the hydrolyzed hemicellulosic sugarcane bagasse. The treatments were: coagulation / flocculation of colloidal impurities, separation by microfiltration and ultrafiltration membrane and ion exchange resins, and the starting material was a newly obtained hydrolyzed bagasse. The treatment of coagulation / flocculation was optimized using factorial experiments design of the kind that in the best condition promoted reductions of 53.3%, 34.8%, 3.7%, 4.2% and 67.6% in phenolic compounds, furfural, hydroxymethylfurfural, acid acetic acid and spectral area, respectively. Next, the hydrolyzate treated in the previous step was tested for microfiltration and ultrafiltration. For this step the best results were obtained using a 100 kDa membrane in polyethersulfone. With this treatment were obtaneid reduction of 11.9%, 23.8%, 21.5%, 21.4% in phenolic compunds, furfural, hydroxymethylfurfural and spectral area, respectively. After membrane treatment the hydrolyzate was percolated through resins with anionic and cationic character used in series enabling the elimination of 34.8%, 38.5%, 74.7%, 55% and 10.3% of phenolic compounds, furfural, hydroxymethylfurfural, acetic acid and spectral area, respectively. At the end, the combination of all separation technologies studied was able to remove greater than 97% of phenolic compounds, furfural and hydroxymethylfurfural which resulted in a reduction of 99.3% in spectral area. The purified hydrolyzate was concentrated and subjected to preliminary fermentative testing for the ethanol and xylitol production. These bioconversions had income of 0.58 g/g in xylitol and 0.29 g/g in ethanol by D-xylose consumed, equivalent to 86% and 83% of ethanol and xylitol yield obtained from the synthetic medium, respectively. These results indicated that the purification achieved through the combined use of coagulation/flocculation, membrane separation and íon exchange resins were very satisfactory, especially considering the fermentability obtained from this substrate compared to the synthetic medium.

A presença de compostos inibidores ao metabolismo de microrganismos é a principal dificuldade encontrada para utilização dos hidrolisados hemicelulósicos para produção de etanol e xilitol. Compostos derivados das degradações da lignina, da celulose e hemicelulose são liberados durante a hidrólise ácida da biomassa. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a utilização de diferentes tratamentos de destoxificação de forma combinada, visando a purificação do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar para obtenção de etanol e xilitol. Os tratamentos utilizados foram: coagulação/floculação de impurezas coloidais, separação por membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, sendo o material de partida foi um hidrolisado de bagaço recém-obtido. O tratamento de coagulação/floculação foi otimizado utilizando planejamento de experimentos do tipo fatorial e na melhor condição promoveu reduções de 53,3% em compostos fenólicos, 34,8% de furfural, 3,7% de HMF, 4,2% de ácido acético e 67,6% da área espectral. Na sequência, o hidrolisado tratado na etapa anterior foi submetido a testes de microfiltração e ultrafiltração. Para esta etapa os melhores resultados foram obtidos utilizando membranas de 100 kDa em polietersulfona. Com este tratamento foi possível reduzir em 11,9% os compostos fenólicos, 23,8% de furfural, 21,5% de HMF e 21,4% de área espectral. Após o tratamento com membranas o hidrolisado foi percolado em resinas de caráter catiônico e aniônico utilizadas em série possibilitando a eliminação de 34,8% de compostos fenólicos, 38,5% de furfural, 74,7% de HMF, 55% de ácido acético e 10,3% da área espectral. Ao final, a combinação de todas as tecnologias de separação estudadas possibilitou remoções maiores que 97% para compostos fenólicos, furfural e HMF o que resultou numa redução da área espectral em 99,3%. O hidrolisado purificado foi concentrado e submetido a testes fermentativos preliminares para produção de etanol e xilitol. Estas bioconversões apresentaram rendimentos de 0,58 g/g em xilitol e 0,29 g/g em etanol por D-xilose consumida, que equivalem a 86% e 83% dos rendimentos obtidos a partir dos meios sintéticos, respectivamente. Estes resultados indicaram que a purificação obtida através do uso combinado da coagulação/floculação, separação por membranas e resinas de troca iônica foram bastante satisfatórios principalmente considerando a fermentabilidade obtida a partir deste substrato em comparação ao meio sintético. / The presence of inhibitory compounds in the metabolism of microorganisms is the main difficulty for the use of hemicellulosic hydrolyzate for ethanol and xylitol production. Compounds derived from lignin, cellulose and hemicellulose degradation are released during the biomass acid hydrolysis. This study aimed to evaluate the use of different detoxification treatments in combination, aimed at purifying the hydrolyzed hemicellulosic sugarcane bagasse. The treatments were: coagulation / flocculation of colloidal impurities, separation by microfiltration and ultrafiltration membrane and ion exchange resins, and the starting material was a newly obtained hydrolyzed bagasse. The treatment of coagulation / flocculation was optimized using factorial experiments design of the kind that in the best condition promoted reductions of 53.3%, 34.8%, 3.7%, 4.2% and 67.6% in phenolic compounds, furfural, hydroxymethylfurfural, acid acetic acid and spectral area, respectively. Next, the hydrolyzate treated in the previous step was tested for microfiltration and ultrafiltration. For this step the best results were obtained using a 100 kDa membrane in polyethersulfone. With this treatment were obtaneid reduction of 11.9%, 23.8%, 21.5%, 21.4% in phenolic compunds, furfural, hydroxymethylfurfural and spectral area, respectively. After membrane treatment the hydrolyzate was percolated through resins with anionic and cationic character used in series enabling the elimination of 34.8%, 38.5%, 74.7%, 55% and 10.3% of phenolic compounds, furfural, hydroxymethylfurfural, acetic acid and spectral area, respectively. At the end, the combination of all separation technologies studied was able to remove greater than 97% of phenolic compounds, furfural and hydroxymethylfurfural which resulted in a reduction of 99.3% in spectral area. The purified hydrolyzate was concentrated and subjected to preliminary fermentative testing for the ethanol and xylitol production. These bioconversions had income of 0.58 g/g in xylitol and 0.29 g/g in ethanol by D-xylose consumed, equivalent to 86% and 83% of ethanol and xylitol yield obtained from the synthetic medium, respectively. These results indicated that the purification achieved through the combined use of coagulation/flocculation, membrane separation and íon exchange resins were very satisfactory, especially considering the fermentability obtained from this substrate compared to the synthetic medium.

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:46:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bruna.pdf: 2218151 bytes, checksum: 72c1c9063129258699329dd11860a24c (MD5) Previous issue date: 2013-02-21 / There are currently several studies aiming to convert plant biomass, which offers low cost and high generation in a sustainable and alternative energy source, thus adding economic value to the material. Lignocellulosic fibers, after passing through specific pretreatment of hydrolysis, originate fermentable sugars that can be biotransformed on second-generation ethanol. The breaking of this complex results in two main fractions, the cellulosic and the hemicellulosic fractions. The cellulosic one is still a challenge due to the cost, since it requires a pretreatment with high concentrations of acids and high thermal energy, and an enzymatic treatment too. The hemicellulosic fraction is more easily removable and it is composed primarily of xylose, but this sugar is not easily fermentable by traditional yeasts. The Pichia stipitis yeast has been studied due to its ability to use pentoses, appearing to be promising yeast for further industrial application. For this reason, this work aimed to evaluate fermentation parameters such as pH, temperature and agitation for ethanol production by Pichia stipitis ATCC 58376 in a medium consisting of the hemicellulosic hydrolyzate of sunflower meal, a by-product of sunflower oil extraction. In addition, the effects of inoculum adaptation were evaluated through the cultivation of cells in the hydrolyzed one and the reuse of the cells recovered at the end of the fermentation process. Sunflower meal was subjected to acid hydrolysis with sulfuric acid 6% (m/v), 120 atm in 20 min, resulting in a hemicellulosic hydrolyzate with 8.06 g.l-1 of glucose, 49.93 g.L-1 of xylose, 8.67 g.L-1 of arabinose, 3.55 g.L-1 of acetic acid, 0.031 g.L-1 of hydroxymethylfurfural, 0.033 g.L-1 of furfural, and 0.89 g.L-1 of phenols. The hydrolyzed one was detoxified by pH changes and adsorption with activated carbon to reduce or eliminate compounds formed during the hydrolysis, which are toxic to microbial metabolism. After this treatment, there was a reduction of 58% of acetic acid, and furfural, hydroxymethylfurfural and phenols were not detected in the hydrolyzate. Fermentations were conducted according to a factorial 33- DCCR, with 8 major tests, 6 axial and 3 central, totalizing 17 tests in different conditions of pH, temperature and agitation. Data analysis was performed using the STATISTICA 8.0 program. The tests showed no significant difference between them until the period of 72 hours, since in the test 14 (pH 5.0, 30ºC and 234 rpm) and in the 15, 16 and 17 central points (pH 5.0, 30° C and 150 rpm) it was verified the largest concentrations of ethanol, 13.31 g.L-1 and 13.28 g.L-1 respectively after 84 hours, regardless of the condition of the inoculum preparation. Efficiency and productivity were the same for the last five tests (13, 14, 15, 16 and 17): 0.45 g. g-1 and 0.185 g.l-1 .h-1after 84 hours of fermentation. The optimization of the process led to a final production of ethanol of 13.92 g.l-1, 4.38% higher than test 13, yield equivalent to the theoretical, 0, 51g.g-1, and productivity of 0.165 g.L-1.h-1 after 84 hours of fermentation. / Atualmente há vários estudos com objetivo de converter a biomassa vegetal, a qual apresenta baixo custo e alta geração, em uma fonte alternativa e sustentável de energia, agregando valor econômico à matéria. As fibras lignocelulósicas, após passarem por pré-tratamento específico de hidrólise, originam açúcares fermentescíveis que podem ser biotransformados em etanol de segunda geração. A quebra desse complexo resulta em duas frações principais: a celulósica e a hemicelulósica. A fração celulósica é ainda um desafio devido ao custo, já que esta requer um pré-tratamento com altas concentrações de ácidos e grande energia térmica e ainda um tratamento enzimático. A fração hemicelulósica é mais facilmente extraível e constituída principalmente por xilose, porém este açúcar não é facilmente fermentável por leveduras tradicionais. A levedura Pichia stipitis está sendo muito estudada devido a sua capacidade de utilizar pentoses, mostrando ser muito promissora para aplicação industrial. Por essa razão, este trabalho teve como objetivo avaliar parâmetros fermentativos como pH, temperatura e agitação para a produção de etanol por Pichia stipitis ATCC 58376, em meio constituído de hidrolisado hemicelulósico de farelo de girassol, um sub-produto da extração do óleo de girassol. Além disso, foram avaliados os efeitos da adaptação do inóculo pelo cultivo das células no hidrolisado e o reaproveitamento das células separadas ao final de repetições do processo fermentativo. O farelo de girassol foi submetido à hidrolise ácida com ácido sulfúrico 6% (m/v), 120 atm, por 20 min., resultando num hidrolisado hemicelulósico com 8,06 g.L-1 de glicose, 49,93 g.L-1 de xilose, 8,67 g.L-1 de arabinose, 3,55 g.L-1 de ácido acético, 0,031 g.L-1 de hidroximetilfurfural, 0,033 g.L-1 de furfural e 0,89 g.L-1 de fenóis. O hidrolisado foi destoxificado por alterações de pH e adsorção com carvão ativado, a fim de reduzir e/ou eliminar compostos formados durante a hidrólise, que são tóxicos ao metabolismo microbiano. Após esse tratamento, houve redução de 58% de ácido acético e o hidroximetilfurfural, furfural e fenóis não foram detectados no hidrolisado. As fermentações foram conduzidas segundo um esquema fatorial 33 - DCCR, com 8 ensaios principais, 6 axiais e 3 centrais, totalizando 17 ensaios, em diferentes condições de pH, temperatura e agitação. A análise dos dados foi realizada empregando-se o programa STATISTICA 8.0. Os ensaios apresentaram diferença significativa entre si até o período de 72 horas, sendo que no ensaio 14 (pH 5,0, 30ºC e 234 rpm) e nos ensaios 15, 16 e 17 nos pontos centrais (pH 5,0, 30 ºC e 150 rpm) foram verificadas as maiores concentrações de etanol, 13,31 g.L-1 e 13,28 g.L-1, respectivamente, em 84 horas e independentemente da condição de preparo do inóculo. O rendimento e a produtividade foram iguais para os cinco últimos ensaios (13, 14, 15,16 e 17), 0,45 g.g-1 e 0,185 g.L-1.h-1 em 84 horas de fermentação. A otimização do processo levou a uma produção final de etanol de 13,92 g.L-1, 4,38% superior ao ensaio 13, rendimento equivalente ao teórico: 0,51g.g-1 e produtividade de 0,165 g.L-1.h-1 em 84 horas de fermentação.

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:23:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bruna.pdf: 2218151 bytes, checksum: 72c1c9063129258699329dd11860a24c (MD5) Previous issue date: 2013-02-21 / There are currently several studies aiming to convert plant biomass, which offers low cost and high generation in a sustainable and alternative energy source, thus adding economic value to the material. Lignocellulosic fibers, after passing through specific pretreatment of hydrolysis, originate fermentable sugars that can be biotransformed on second-generation ethanol. The breaking of this complex results in two main fractions, the cellulosic and the hemicellulosic fractions. The cellulosic one is still a challenge due to the cost, since it requires a pretreatment with high concentrations of acids and high thermal energy, and an enzymatic treatment too. The hemicellulosic fraction is more easily removable and it is composed primarily of xylose, but this sugar is not easily fermentable by traditional yeasts. The Pichia stipitis yeast has been studied due to its ability to use pentoses, appearing to be promising yeast for further industrial application. For this reason, this work aimed to evaluate fermentation parameters such as pH, temperature and agitation for ethanol production by Pichia stipitis ATCC 58376 in a medium consisting of the hemicellulosic hydrolyzate of sunflower meal, a by-product of sunflower oil extraction. In addition, the effects of inoculum adaptation were evaluated through the cultivation of cells in the hydrolyzed one and the reuse of the cells recovered at the end of the fermentation process. Sunflower meal was subjected to acid hydrolysis with sulfuric acid 6% (m/v), 120 atm in 20 min, resulting in a hemicellulosic hydrolyzate with 8.06 g.l-1 of glucose, 49.93 g.L-1 of xylose, 8.67 g.L-1 of arabinose, 3.55 g.L-1 of acetic acid, 0.031 g.L-1 of hydroxymethylfurfural, 0.033 g.L-1 of furfural, and 0.89 g.L-1 of phenols. The hydrolyzed one was detoxified by pH changes and adsorption with activated carbon to reduce or eliminate compounds formed during the hydrolysis, which are toxic to microbial metabolism. After this treatment, there was a reduction of 58% of acetic acid, and furfural, hydroxymethylfurfural and phenols were not detected in the hydrolyzate. Fermentations were conducted according to a factorial 33- DCCR, with 8 major tests, 6 axial and 3 central, totalizing 17 tests in different conditions of pH, temperature and agitation. Data analysis was performed using the STATISTICA 8.0 program. The tests showed no significant difference between them until the period of 72 hours, since in the test 14 (pH 5.0, 30ºC and 234 rpm) and in the 15, 16 and 17 central points (pH 5.0, 30° C and 150 rpm) it was verified the largest concentrations of ethanol, 13.31 g.L-1 and 13.28 g.L-1 respectively after 84 hours, regardless of the condition of the inoculum preparation. Efficiency and productivity were the same for the last five tests (13, 14, 15, 16 and 17): 0.45 g. g-1 and 0.185 g.l-1 .h-1after 84 hours of fermentation. The optimization of the process led to a final production of ethanol of 13.92 g.l-1, 4.38% higher than test 13, yield equivalent to the theoretical, 0, 51g.g-1, and productivity of 0.165 g.L-1.h-1 after 84 hours of fermentation. / Atualmente há vários estudos com objetivo de converter a biomassa vegetal, a qual apresenta baixo custo e alta geração, em uma fonte alternativa e sustentável de energia, agregando valor econômico à matéria. As fibras lignocelulósicas, após passarem por pré-tratamento específico de hidrólise, originam açúcares fermentescíveis que podem ser biotransformados em etanol de segunda geração. A quebra desse complexo resulta em duas frações principais: a celulósica e a hemicelulósica. A fração celulósica é ainda um desafio devido ao custo, já que esta requer um pré-tratamento com altas concentrações de ácidos e grande energia térmica e ainda um tratamento enzimático. A fração hemicelulósica é mais facilmente extraível e constituída principalmente por xilose, porém este açúcar não é facilmente fermentável por leveduras tradicionais. A levedura Pichia stipitis está sendo muito estudada devido a sua capacidade de utilizar pentoses, mostrando ser muito promissora para aplicação industrial. Por essa razão, este trabalho teve como objetivo avaliar parâmetros fermentativos como pH, temperatura e agitação para a produção de etanol por Pichia stipitis ATCC 58376, em meio constituído de hidrolisado hemicelulósico de farelo de girassol, um sub-produto da extração do óleo de girassol. Além disso, foram avaliados os efeitos da adaptação do inóculo pelo cultivo das células no hidrolisado e o reaproveitamento das células separadas ao final de repetições do processo fermentativo. O farelo de girassol foi submetido à hidrolise ácida com ácido sulfúrico 6% (m/v), 120 atm, por 20 min., resultando num hidrolisado hemicelulósico com 8,06 g.L-1 de glicose, 49,93 g.L-1 de xilose, 8,67 g.L-1 de arabinose, 3,55 g.L-1 de ácido acético, 0,031 g.L-1 de hidroximetilfurfural, 0,033 g.L-1 de furfural e 0,89 g.L-1 de fenóis. O hidrolisado foi destoxificado por alterações de pH e adsorção com carvão ativado, a fim de reduzir e/ou eliminar compostos formados durante a hidrólise, que são tóxicos ao metabolismo microbiano. Após esse tratamento, houve redução de 58% de ácido acético e o hidroximetilfurfural, furfural e fenóis não foram detectados no hidrolisado. As fermentações foram conduzidas segundo um esquema fatorial 33 - DCCR, com 8 ensaios principais, 6 axiais e 3 centrais, totalizando 17 ensaios, em diferentes condições de pH, temperatura e agitação. A análise dos dados foi realizada empregando-se o programa STATISTICA 8.0. Os ensaios apresentaram diferença significativa entre si até o período de 72 horas, sendo que no ensaio 14 (pH 5,0, 30ºC e 234 rpm) e nos ensaios 15, 16 e 17 nos pontos centrais (pH 5,0, 30 ºC e 150 rpm) foram verificadas as maiores concentrações de etanol, 13,31 g.L-1 e 13,28 g.L-1, respectivamente, em 84 horas e independentemente da condição de preparo do inóculo. O rendimento e a produtividade foram iguais para os cinco últimos ensaios (13, 14, 15,16 e 17), 0,45 g.g-1 e 0,185 g.L-1.h-1 em 84 horas de fermentação. A otimização do processo levou a uma produção final de etanol de 13,92 g.L-1, 4,38% superior ao ensaio 13, rendimento equivalente ao teórico: 0,51g.g-1 e produtividade de 0,165 g.L-1.h-1 em 84 horas de fermentação.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar o uso combinado de processos de separação, visando a adequação do substrato rico em xilose (hidrolisado de bagaço de cana) para a obtenção de produtos por via fermentativa. Foram estudados processos como coagulação e precipitação seletiva de impurezas coloidais, separação com membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, tendo como ponto de partida o hidrolisado concentrado 5,56 vezes (hidrolisado H1). Na avaliação dos ensaios de coagulação e precipitação foi utilizado planejamento fatorial fracionado, o qual auxiliou o estudo da performance de agentes coagulantes (policloreto de alumínio e polieletrólito aniônico), em diferentes concentrações, pHs e temperaturas. Como variável resposta foi determinado a redução de compostos fenólicos, resultando numa diminuição final de 32,67% e num modelo matemático que representa os parâmetros envolvidos no processo:[C. Fenólicos] = 13,82 + 4,54xpH + 0,03xPAC - 0,58xpH2 + 0,19xPAC2 - 0,25xpHxPAC. Após a determinação das melhores condições experimentais desta etapa, aplicou-se este modelo numa escala 36 vezes maior, resultando em uma diminuição de 10,49% destes contaminantes, produzindo o hidrolisado H2. Este hidrolisado foi percolado por resinas, e assim, determinou-se a série de resinas de troca iônica mais eficiente (série I: Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na e Amberlite IRA96). Esta etapa proporcionou uma redução de 96,29% no índice de cor, 98,72% dos compostos fenólicos, 74,19% do hidroximetilfurfural, 55,56% de furfural e 52,03% de ácido acético, utilizando um volume de leito de 20 mL, por coluna de resina. O hidrolisado H2, também, foi utilizado para a determinação do melhor modo de permeação por membranas de separação. Neste caso, optou-se em utilizar somente a membrana de ultrafiltração. A permeação do hidrolisado H2 por esta membrana resultou no hidrolisado H3, e em reduções de 12,50% de ácido acético, 33,00% de compostos fenólicos e 54,29% no índice de cor. Assim, o hidrolisado H3 foi percolado pela série de resinas mais eficiente, obtendo ao final uma diminuição de 63,29% do ácido acético, 75,86% de furfural, 77,78% de hidroximetilfurfural e 88,09% dos compostos fenólicos, promovendo uma redução de 90,90% no índice de cor. A seguir, o hidrolisado purificado foi submetido a fermentações para a produção de xilitol e etanol. Essas bioconversões foram aptas a produzir 0,250g/L.h de xilitol e 0,265g/L.h de etanol além de apresentarem rendimentos de 0,68g/g de xilitol por xilose consumida e 0,30g/g de etanol por xilose consumida. Estes resultados indicam a boa fermentabilidade do hidrolisado tratado pelo processo combinado proposto. / This study evaluated the combined use of separation processes, seeking the adequacy of the substrate rich in xylose (hydrolysate of sugar cane bagasse) in the attainment of products from fermentative processes. During this research processes as coagulation and precipitation of selective colloidal impurities, microfiltration and ultrafiltration membranes separations and ion exchange resins were studied, taking as its starting point a hydrolysate concentrate 5.56 times (hydrolysate H1). During the tests of coagulation and precipitation a fraction factorial design was applied, which helped the study of coagulating agents performance (aluminum polychloride and anionic polyelectrolyte) in different concentrations, pH and temperatures. The response variable utilized was phenolic compounds reduction resulting in a drop of 32.67% and the mathematical model that represents the parameters involved in the process was: [C. Fenólicos] = 13.82 + 4.54 xpH + 0.03 xPAC - 0.58 xpH2 + 0.19 xPAC2 - 0.25 xpHxPAC. After determining the best experimental conditions of this step, this model was applied on a scale 36 times greater resulting in a decrease of 10.49% on contaminants, producing the hydrolysate H2. This hydrolysate was percolated through resins and determined the sequence of ion exchange resins more efficient; Serie I (Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na and Amberlite IRA96). This step reduced 96.29% in the index of color, 98.72% of phenolic compounds, 74.19% of hydroxymethylfurfural, 55.56% of furfural and 52.03% acetic acid, using a bed volume of 20 mL for each resin column. The hydrolysate H2 also was used to determine the best way of membranes permeation. In this case, opted to use only the ultrafiltration membrane. The permeation of the hydrolysate H2 through membrane resulted the hydrolysate H3, and showed reductions of 12.50%, 33.00% and 54.29% in acetic acid, phenolic compounds and index of color, respectively. Thus, the hydrolysate H3 was percolated through the resins series more efficient, obtaining a decrease of 63.29% of acetic acid, 75.86% of furfural, 77.78% of hydroxymethylfurfural and 88.09% of phenolic compounds, promoting a reduction of 90.90% in the index of color on the finish treatment. So this hydrolysate purified was subjected to fermentations for the production of xylitol and ethanol. These bioconversions were able to produce 0.250 g/L.h of xylitol and 0.265g/L.h of ethanol and showed xylitol yield from xylose of 0.68g/g and ethanol yield from xilose of 0.30g/g in ethanol. Theses results indicate the good fermentability of the hydrolysate treated by proposed combined process.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar o uso combinado de processos de separação, visando a adequação do substrato rico em xilose (hidrolisado de bagaço de cana) para a obtenção de produtos por via fermentativa. Foram estudados processos como coagulação e precipitação seletiva de impurezas coloidais, separação com membranas de microfiltração e ultrafiltração e resinas de troca iônica, tendo como ponto de partida o hidrolisado concentrado 5,56 vezes (hidrolisado H1). Na avaliação dos ensaios de coagulação e precipitação foi utilizado planejamento fatorial fracionado, o qual auxiliou o estudo da performance de agentes coagulantes (policloreto de alumínio e polieletrólito aniônico), em diferentes concentrações, pHs e temperaturas. Como variável resposta foi determinado a redução de compostos fenólicos, resultando numa diminuição final de 32,67% e num modelo matemático que representa os parâmetros envolvidos no processo:[C. Fenólicos] = 13,82 + 4,54xpH + 0,03xPAC - 0,58xpH2 + 0,19xPAC2 - 0,25xpHxPAC. Após a determinação das melhores condições experimentais desta etapa, aplicou-se este modelo numa escala 36 vezes maior, resultando em uma diminuição de 10,49% destes contaminantes, produzindo o hidrolisado H2. Este hidrolisado foi percolado por resinas, e assim, determinou-se a série de resinas de troca iônica mais eficiente (série I: Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na e Amberlite IRA96). Esta etapa proporcionou uma redução de 96,29% no índice de cor, 98,72% dos compostos fenólicos, 74,19% do hidroximetilfurfural, 55,56% de furfural e 52,03% de ácido acético, utilizando um volume de leito de 20 mL, por coluna de resina. O hidrolisado H2, também, foi utilizado para a determinação do melhor modo de permeação por membranas de separação. Neste caso, optou-se em utilizar somente a membrana de ultrafiltração. A permeação do hidrolisado H2 por esta membrana resultou no hidrolisado H3, e em reduções de 12,50% de ácido acético, 33,00% de compostos fenólicos e 54,29% no índice de cor. Assim, o hidrolisado H3 foi percolado pela série de resinas mais eficiente, obtendo ao final uma diminuição de 63,29% do ácido acético, 75,86% de furfural, 77,78% de hidroximetilfurfural e 88,09% dos compostos fenólicos, promovendo uma redução de 90,90% no índice de cor. A seguir, o hidrolisado purificado foi submetido a fermentações para a produção de xilitol e etanol. Essas bioconversões foram aptas a produzir 0,250g/L.h de xilitol e 0,265g/L.h de etanol além de apresentarem rendimentos de 0,68g/g de xilitol por xilose consumida e 0,30g/g de etanol por xilose consumida. Estes resultados indicam a boa fermentabilidade do hidrolisado tratado pelo processo combinado proposto. / This study evaluated the combined use of separation processes, seeking the adequacy of the substrate rich in xylose (hydrolysate of sugar cane bagasse) in the attainment of products from fermentative processes. During this research processes as coagulation and precipitation of selective colloidal impurities, microfiltration and ultrafiltration membranes separations and ion exchange resins were studied, taking as its starting point a hydrolysate concentrate 5.56 times (hydrolysate H1). During the tests of coagulation and precipitation a fraction factorial design was applied, which helped the study of coagulating agents performance (aluminum polychloride and anionic polyelectrolyte) in different concentrations, pH and temperatures. The response variable utilized was phenolic compounds reduction resulting in a drop of 32.67% and the mathematical model that represents the parameters involved in the process was: [C. Fenólicos] = 13.82 + 4.54 xpH + 0.03 xPAC - 0.58 xpH2 + 0.19 xPAC2 - 0.25 xpHxPAC. After determining the best experimental conditions of this step, this model was applied on a scale 36 times greater resulting in a decrease of 10.49% on contaminants, producing the hydrolysate H2. This hydrolysate was percolated through resins and determined the sequence of ion exchange resins more efficient; Serie I (Amberlyst 15Wet, Amberlite FPA98, Amberlite 252Na and Amberlite IRA96). This step reduced 96.29% in the index of color, 98.72% of phenolic compounds, 74.19% of hydroxymethylfurfural, 55.56% of furfural and 52.03% acetic acid, using a bed volume of 20 mL for each resin column. The hydrolysate H2 also was used to determine the best way of membranes permeation. In this case, opted to use only the ultrafiltration membrane. The permeation of the hydrolysate H2 through membrane resulted the hydrolysate H3, and showed reductions of 12.50%, 33.00% and 54.29% in acetic acid, phenolic compounds and index of color, respectively. Thus, the hydrolysate H3 was percolated through the resins series more efficient, obtaining a decrease of 63.29% of acetic acid, 75.86% of furfural, 77.78% of hydroxymethylfurfural and 88.09% of phenolic compounds, promoting a reduction of 90.90% in the index of color on the finish treatment. So this hydrolysate purified was subjected to fermentations for the production of xylitol and ethanol. These bioconversions were able to produce 0.250 g/L.h of xylitol and 0.265g/L.h of ethanol and showed xylitol yield from xylose of 0.68g/g and ethanol yield from xilose of 0.30g/g in ethanol. Theses results indicate the good fermentability of the hydrolysate treated by proposed combined process.