Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:54:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo6477_1.pdf: 1747465 bytes, checksum: 133a5b019bfb201fdaaf6595bdecbb40 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Faculdade de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco / Nos últimos 15 anos, um grande esforço tem sido feito para uma maior utilização de resíduos agroindustriais renováveis, podendo a biomassa lignocélulosica ser matéria prima para os bicombustíveis. A composição dessas biomassas varia bastante, mas em geral os substratos lignocelulósicos são constituídos de celulose (homopolímero de glicose), hemicelulose (heteropolímero de hexoses e pentoses) e pela lignina (compostos aromáticos). Considerando que a fermentação de glicose pode ser realizado de forma eficiente, a bioconversão da fração das pentoses (xilose, principal açúcar pentose obtido na hidrólise da hemicelulose), apresenta um desafio. A levedura Pichia stipitis pode converter xilose a etanol com rendimentos industrialmente relevantes. Porém necessita de condições limitantes de oxigênio, além do consumo da glicose inibir de modo não competitivo a xilose e sob condições de crescimento similares o consumo de glicose é maior que o de xilose. Com base na análise da via metabolica desta levedura, o presente trabalho teve como objetivo redirecionar o fluxo metabólico da via glicolitica para via das pentose fosfato dentro do que se chama modernamente de Engeharia Metabólica. O gene PGI1 codificador da fosfoglicose isomerase foi completamente removido do genoma da linhagem nativa NRRL 7124 com o uso de fragmentos de PCR que continham seqüências com mais de 350 bp de homologia com as regiões 5 e 3´ do gene alvo. Quando este gene foi deletado, a glicose-6-fosfato foi inteiramente rotada para via da pentose fosfato. Este fluxo direciona a produção de NADPH fundamental para a produção de precursores de nucleotídeos, aminoácidos, em reações biossinteticas redutivas e também na conversão de xilose a xilitol. Para seleção do transformante, foi necessária uma concentração de 1200μg/ml de Geneticina. Além disso, a eficiência de transformação foi baixa, em parte devido à utilização do sistema não convencional de códons por esta levedura. O cassete de deleção construído apresenta a marca de seleção resistente a geneticina ladeado por duas regiões denominadas loxp, que permitem a recombinação por sistemas de contra-seleção. Possibilitando a remoção da marca de resistência

In this study, a genome-scale metabolic model was constructed using published genomic and biochemical data. By employing the flux balance analysis (FBA) framework, the model was able to accurately predict ethanol yields on various carbon substrates, secretion profiles, and key characteristics of central metabolism under various growth conditions. A by-product of the model development was the construction of a pathway genome data-base (PGDB) of the yeast, named PichCyc. The PGDB was constructed using Pathway Tools and the database contains 5,841 genes, 1,457 reactions, 994 gene-associated reactions, and 1,475 metabolites. Pathway Tools also facilitated the annotation of an additional 155 genes through the use of Pathway Hole Filler. Together with the constraint-based model, a platform for model-guided metabolic engineering, high-throughput data contextualization, and a public-access online genomic/biochemical database was created.

In this study, a genome-scale metabolic model was constructed using published genomic and biochemical data. By employing the flux balance analysis (FBA) framework, the model was able to accurately predict ethanol yields on various carbon substrates, secretion profiles, and key characteristics of central metabolism under various growth conditions. A by-product of the model development was the construction of a pathway genome data-base (PGDB) of the yeast, named PichCyc. The PGDB was constructed using Pathway Tools and the database contains 5,841 genes, 1,457 reactions, 994 gene-associated reactions, and 1,475 metabolites. Pathway Tools also facilitated the annotation of an additional 155 genes through the use of Pathway Hole Filler. Together with the constraint-based model, a platform for model-guided metabolic engineering, high-throughput data contextualization, and a public-access online genomic/biochemical database was created.

O presente estudo teve como objetivo avaliar a produção de etanol pela levedura Pichia stipitis, a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de malte (HHBM). Primeiramente estudou-se o efeito da suplementação nutricional do hidrolisado adicionando-se extrato de farelo de arroz (0 a 20% v/v), uréia (0 a 3 g/L) e extrato de levedura (0 a 3 g/L). Os resultados mostraram que o hidrolisado suplementado apenas com extrato de levedura proporcionou os melhores resultados de conversão (YP/S = 0,44 g/g) e produtividade em etanol (QP = 0,33 g/L.h). Em seguida foi avaliado o nível ótimo deste nutriente sobre a bioconversão, sendo confirmada a suplementação do HHBM com 3,0 g/L de extrato de levedura. Após o estabelecimento das condições nutricionais, a levedura foi cultivada em HHBM após o crescimento de 24 horas em meio semissintético, visando aclimatar as células aos inibidores presentes no hidrolisado. Este estudo resultou no aumento das velocidades do processo, sendo 16% sobre a produtividade volumétrica em etanol (QP) e 10% sobre a velocidade de consumo de substrato (QS), quando comparado ao cultivo das células somente em meio semissintético. Na etapa seguinte utilizou-se um planejamento fatorial 22 com face centrada para otimização das condições de pH e concentração inicial de células (X0) na fermentação em HHBM não destoxificado e após a destoxificação com carvão ativado. Foram obtidos modelos para descrever os valores de YP/S e QP na região estudada, sendo que para o HHBM não destoxificado os valores destes parâmetros foram 0,40 g/g e 0,65 g/L.h, respectivamente, em pH 6,4 e X0 = 5,0 g/L (modelo 1). Em HHBM destoxificado, as condições ótimas foram obtidas em pH 6,0 e 1,36 g/L de células (modelo 2), obtendo-se YP/S de 0,40 g/g e QP de 0,46 g/L.h. Nas condições otimizadas foram então realizados ensaios que confirmaram a validade dos modelos 1 e 2, obtendo-se a máxima concentração de etanol (23,4 g/L), YP/S de 0,41 g/g e QP de 0,65 g/L.h em HHBM não destoxificado. Realizouse ensaios para avaliação do efeito do ácido acético sobre a fermentação em meio semissintético por P. stipitis, empregando-se as condições de pH e X0 otimizadas em HHBM não destoxificado (modelo 1) e destoxificado (modelo 2). Este estudo mostrou que nas condições do modelo 1, o ácido acético favoreceu a bioconversão sendo os melhores resultados obtidos na presença deste ácido (YP/S = 0,47 g/g e QP = 1,08 g/L.h). Por outro lado, nas condições do modelo 2, os valores de YP/S foram similares, enquanto que com a adição de ácido acético ao meio de fermentação, o valor de QP foi reduzido em 53%. Na fermentação em biorreator, o emprego das condições otimizadas em frascos (pH 6,4 e 5,0 g/L de células) resultaram em valores de QP 48% inferiores ao obtido em frascos (0,65 para 0,44 g/L.h), entretanto YP/S foi apenas 10% inferior (0,41 para 0,37 g/g). No presente estudo, conclui-se que a suplementação nutricional do HHBM e a otimização das condições de pH e X0 resultaram em valores promissores para os principais parâmetros da fermentação por P. stipitis, ressaltando o potencial deste hidrolisado em processos biotecnológicos para produção de etanol. / This study aimed to evaluate the ethanol production by Pichia stipitis in brewer\'s spent grain hemicellulosic hydrolysate (BSGHH). Initially, the effect of nutritional supplementation was evaluated by adding rice bran extract, urea and yeast extract. The results showed that supplementation only with yeast extract promoted the highest conversion values (YP/S = 0.44 g/L) and ethanol productivity (QP = 0.33 g/L.h). Additional assays showed that the optimal concentration of this nutrient was 3.0 g/L. To acclimate the cells to inhibitors present in BSGHH the yeast was cultivated in hydrolysate after growth for 24 hours in semisynthetic medium. This study resulted in increased of the process rates, 16% of the ethanol productivity (QP) and 10% on the substrate consumption (QS) when compared to growing cells only in the semisynthetic medium. In the second step a 22 full factorial centeredface design was employed to optimized the conditions of pH and initial cells concentration (X0) in fermentation of hydrolysate undetoxified and after detoxification with activated charcoal. Mathematical models that relate the YP/S and QP were obtained. For non-detoxified BSGHH (model 1) the optimal conditions of pH (6.4) and X0 (5.0 g/L) showed values parameters of 0.41 g/g and 0.65 g/L.h, respectively. In detoxified BSGHH (model 2) the optimum conditions of pH (6.0) and X0 (1.36 g/L), resulted in YP/S and QP values of 0.40 g/g and 0.46 g/L.h, respectively. Under these conditions, the the validity of the models were confirmed. The effect of acetic acid on fermentation by P. stipitis in semisynthetic medium, employing optimized conditions of pH and X0 in model 1 and model 2 was evaluated. The results showed that under the conditions of model 1 and in a concentration of 2,9 g/L, the acetic acid favored the bioconversion by P. stipitis, increasing the YP/S (15 %) and QP (66 %). On the other hand, in the conditions of the model 2 the YP/S values were similar, whereas the QP values were reduced by 53% when the acetic acid was added. By using these optimized conditions in bioreactor fermentation it was obtained the ethanol productivity was approximately 48% lower (0.65 to 0.44 g/L.h), however the ethanol production was similar as compared to fermentation flasks. It is possible conclude that the HHBSG requires nutritional supplementation and that the optimized conditions of pH and initial cells concentration can be used as a strategy in order to raising the fermentation parameters.

O presente estudo teve como objetivo identificar os principais compostos inibidores presentes nos hidrolisados hemicelulósicos de palha de arroz (HHPA) e bagaço de malte (HHBM), assim como avaliar o perfil fermentativo de Pichia stipitis em meio semissintético contendo os compostos previamente identificados. Foi também objetivo do trabalho avaliar a fermentação da levedura em HHPA e HHBM não destoxificados, de forma a se obter informações sobre o grau de toxicidade destes meios. Após identificação dos inibidores, incluindo ácido acético, furfural, 5-hidroximetilfurfural, vanilina, ácido ferúlico e ácido p-cumárico, foram realizados ensaios fermentativos em meio semissintético variando-se a concentração de cada composto. Os resultados mostraram que, para todos os níveis de ácido acético avaliados (1,5 a 4,5 g.L-1), o fator de conversão de substrato em etanol (YP/S) foi menos afetado do que a produtividade volumétrica em etanol (QP), sendo que para os meios contendo o maior nível deste ácido os valores de YP/S e QP foram reduzidos em 25 e 77%, respectivamente, em relação ao controle. Dentre os furanos (furfural, de 12 a 84 mg.L-1 e hidroximetilfurfural, de 218 a 553 mg.L-1), o hidroximetilfurfural na concentração de 553 mg.L-1 foi o que apresentou a maior redução nos valores de YP/S (_30%) e QP (_50%) em relação ao controle. Para os fenólicos (vanilina, siringaldeído, ácido ferúlico e ácido pcumárico), o maior impacto sobre o metabolismo fermentativo de P stipitis foi observado com o siringaldeído visto que, em todos os níveis avaliados (90 a 620 mg.L-1), os parâmetros fermentativos foram afetados. Os resultados também demonstraram que, com exceção do ácido p-cumárico, a levedura foi capaz de assimilar todos os inibidores presentes no meio e que o perfil de assimilação variou com o tipo e concentração do composto. A vanilina e os furanos foram completamente assimilados em todos os níveis estudados, enquanto que o ácido acético foi totalmente assimilado pela levedura apenas na menor concentração. Nas fermentações realizadas em HHPA e HHBM não destoxificados, os resultados mostraram que a produção de etanol foi similar ao meio semissintético sem inibidores, porém em tempos mais elevados. Além disso, em HHBM o valor de YP/S foi ligeiramente superior (_10%) ao observado no HHPA, o que pode ser atribuído às variações na composição nutricional de cada hidrolisado. O perfil fermentativo da levedura em ambos os hidrolisados mostrou uma cinética mais lenta quando comparado aos meios semissintéticos mimetizando a composição destes, o que sugere a existência de outras substâncias tóxicas nos hidrolisados além das avaliadas neste estudo. Com base nos resultados obtidos no presente estudo pode-se concluir que, dentre os inibidores identificados nos hidrolisados, o ácido acético foi o composto de maior potencial inibitório, seguido pelos furanos e fenólicos, sendo o efeito destes compostos mais pronunciado na produtividade volumétrica em etanol do que no fator de conversão de substrato em etanol. Estas informações são de fundamental importância na elaboração de estratégias de destoxificação e/ou condução do processo visando à melhoria da fermentação em hidrolisados. / The aim of this study was to identify the major inhibitory compounds present in rice straw hemicellulose hydrolysate (RSHH) and brewer\'s spent grain hemicellulose hydrolysate (BSGHH), as well as evaluate Pichia stipitis fermentation profile in semi-synthetic medium containing the previously identified compounds. It was also purpose of this study to evaluate the fermentation of RSHH and BSGHH without detoxification, in order to obtain information about the degree of toxicity of these media. After inhibitors identification, including acetic acid, furfural, 5- hydroxymethylfurfural, vanillin, ferulic acid and p-coumaric acid, fermentation assays were carried out on semi-synthetic medium by varying the concentration of each compound. The results showed that, for all evaluated levels of acetic acid (from 1.5 to 4.5 g.L-1), the ethanol yield (YP/S) was less affected than the ethanol volumetric productivity (QP), and for the media containing the higher evaluated level, the values of YP/S and QP were reduced by 25 and 77%, respectively, compared to control. Among furans (furfural, from 12 to 84 mg.L-1 and hydroxymethylfurfural, from 218 to 553 mg.L-1), the hydroxymethylfurfural at 553 mg.L-1 showed the highest reduction in YP/S (~30%) and QP (~50%) compared to control. For the phenolic compounds (vanillin, syringaldehyde, ferulic acid and pcoumaric acid), the greatest impact on the Pichia stipitis fermentative metabolism was observed with syringaldehyde since the fermentative parameters were affected at all evaluated levels (from 90 to 620 mg.L-1). The results also showed that, except for the p-coumaric acid, the yeast was able to assimilate all inhibitory compunds in the medium and that the assimilation profile varied with the type and concentration of these compounds. Vanillin and furans were completely assimilated at all studied levels, whereas acetic acid was completely assimilated only at the lowest concentration. The ethanol production in RSHH and BSGHH was similar to that observed in semi-synthetic medium without inhibitors, but in a longer period of time. In addition, the YP/S value obtained in BSGHH was slightly higher (~10%) than that observed in RSHH, which can be attributed to variations in the nutritional composition of each hydrolysate. The yeast fermentation profile in both hydrolysates showed slower kinetics when compared to semi-synthetic medium containing the same inhibitors, which suggests the existence of other toxic substances in the hydrolysate in addition to those evaluated in this study. Based on the results obtained in this study, it can be concluded that, among the inhibitors identified in hydrolysates, acetic acid was the main inhibitory compound, followed by furans and phenolics. The most pronounced effect of these compounds was in ethanol volumetric productivity rather than in the ethanol yield. This information is of fundamental importance in the development of detoxification and/or process conduction strategies aimed at improving the fermentation in hemicellulosic hydrolysates.

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 presente estudo teve como objetivo identificar os principais compostos inibidores presentes nos hidrolisados hemicelulósicos de palha de arroz (HHPA) e bagaço de malte (HHBM), assim como avaliar o perfil fermentativo de Pichia stipitis em meio semissintético contendo os compostos previamente identificados. Foi também objetivo do trabalho avaliar a fermentação da levedura em HHPA e HHBM não destoxificados, de forma a se obter informações sobre o grau de toxicidade destes meios. Após identificação dos inibidores, incluindo ácido acético, furfural, 5-hidroximetilfurfural, vanilina, ácido ferúlico e ácido p-cumárico, foram realizados ensaios fermentativos em meio semissintético variando-se a concentração de cada composto. Os resultados mostraram que, para todos os níveis de ácido acético avaliados (1,5 a 4,5 g.L-1), o fator de conversão de substrato em etanol (YP/S) foi menos afetado do que a produtividade volumétrica em etanol (QP), sendo que para os meios contendo o maior nível deste ácido os valores de YP/S e QP foram reduzidos em 25 e 77%, respectivamente, em relação ao controle. Dentre os furanos (furfural, de 12 a 84 mg.L-1 e hidroximetilfurfural, de 218 a 553 mg.L-1), o hidroximetilfurfural na concentração de 553 mg.L-1 foi o que apresentou a maior redução nos valores de YP/S (_30%) e QP (_50%) em relação ao controle. Para os fenólicos (vanilina, siringaldeído, ácido ferúlico e ácido pcumárico), o maior impacto sobre o metabolismo fermentativo de P stipitis foi observado com o siringaldeído visto que, em todos os níveis avaliados (90 a 620 mg.L-1), os parâmetros fermentativos foram afetados. Os resultados também demonstraram que, com exceção do ácido p-cumárico, a levedura foi capaz de assimilar todos os inibidores presentes no meio e que o perfil de assimilação variou com o tipo e concentração do composto. A vanilina e os furanos foram completamente assimilados em todos os níveis estudados, enquanto que o ácido acético foi totalmente assimilado pela levedura apenas na menor concentração. Nas fermentações realizadas em HHPA e HHBM não destoxificados, os resultados mostraram que a produção de etanol foi similar ao meio semissintético sem inibidores, porém em tempos mais elevados. Além disso, em HHBM o valor de YP/S foi ligeiramente superior (_10%) ao observado no HHPA, o que pode ser atribuído às variações na composição nutricional de cada hidrolisado. O perfil fermentativo da levedura em ambos os hidrolisados mostrou uma cinética mais lenta quando comparado aos meios semissintéticos mimetizando a composição destes, o que sugere a existência de outras substâncias tóxicas nos hidrolisados além das avaliadas neste estudo. Com base nos resultados obtidos no presente estudo pode-se concluir que, dentre os inibidores identificados nos hidrolisados, o ácido acético foi o composto de maior potencial inibitório, seguido pelos furanos e fenólicos, sendo o efeito destes compostos mais pronunciado na produtividade volumétrica em etanol do que no fator de conversão de substrato em etanol. Estas informações são de fundamental importância na elaboração de estratégias de destoxificação e/ou condução do processo visando à melhoria da fermentação em hidrolisados. / The aim of this study was to identify the major inhibitory compounds present in rice straw hemicellulose hydrolysate (RSHH) and brewer\'s spent grain hemicellulose hydrolysate (BSGHH), as well as evaluate Pichia stipitis fermentation profile in semi-synthetic medium containing the previously identified compounds. It was also purpose of this study to evaluate the fermentation of RSHH and BSGHH without detoxification, in order to obtain information about the degree of toxicity of these media. After inhibitors identification, including acetic acid, furfural, 5- hydroxymethylfurfural, vanillin, ferulic acid and p-coumaric acid, fermentation assays were carried out on semi-synthetic medium by varying the concentration of each compound. The results showed that, for all evaluated levels of acetic acid (from 1.5 to 4.5 g.L-1), the ethanol yield (YP/S) was less affected than the ethanol volumetric productivity (QP), and for the media containing the higher evaluated level, the values of YP/S and QP were reduced by 25 and 77%, respectively, compared to control. Among furans (furfural, from 12 to 84 mg.L-1 and hydroxymethylfurfural, from 218 to 553 mg.L-1), the hydroxymethylfurfural at 553 mg.L-1 showed the highest reduction in YP/S (~30%) and QP (~50%) compared to control. For the phenolic compounds (vanillin, syringaldehyde, ferulic acid and pcoumaric acid), the greatest impact on the Pichia stipitis fermentative metabolism was observed with syringaldehyde since the fermentative parameters were affected at all evaluated levels (from 90 to 620 mg.L-1). The results also showed that, except for the p-coumaric acid, the yeast was able to assimilate all inhibitory compunds in the medium and that the assimilation profile varied with the type and concentration of these compounds. Vanillin and furans were completely assimilated at all studied levels, whereas acetic acid was completely assimilated only at the lowest concentration. The ethanol production in RSHH and BSGHH was similar to that observed in semi-synthetic medium without inhibitors, but in a longer period of time. In addition, the YP/S value obtained in BSGHH was slightly higher (~10%) than that observed in RSHH, which can be attributed to variations in the nutritional composition of each hydrolysate. The yeast fermentation profile in both hydrolysates showed slower kinetics when compared to semi-synthetic medium containing the same inhibitors, which suggests the existence of other toxic substances in the hydrolysate in addition to those evaluated in this study. Based on the results obtained in this study, it can be concluded that, among the inhibitors identified in hydrolysates, acetic acid was the main inhibitory compound, followed by furans and phenolics. The most pronounced effect of these compounds was in ethanol volumetric productivity rather than in the ethanol yield. This information is of fundamental importance in the development of detoxification and/or process conduction strategies aimed at improving the fermentation in hemicellulosic hydrolysates.

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 presente estudo teve como objetivo avaliar a produção de etanol pela levedura Pichia stipitis, a partir do hidrolisado hemicelulósico do bagaço de malte (HHBM). Primeiramente estudou-se o efeito da suplementação nutricional do hidrolisado adicionando-se extrato de farelo de arroz (0 a 20% v/v), uréia (0 a 3 g/L) e extrato de levedura (0 a 3 g/L). Os resultados mostraram que o hidrolisado suplementado apenas com extrato de levedura proporcionou os melhores resultados de conversão (YP/S = 0,44 g/g) e produtividade em etanol (QP = 0,33 g/L.h). Em seguida foi avaliado o nível ótimo deste nutriente sobre a bioconversão, sendo confirmada a suplementação do HHBM com 3,0 g/L de extrato de levedura. Após o estabelecimento das condições nutricionais, a levedura foi cultivada em HHBM após o crescimento de 24 horas em meio semissintético, visando aclimatar as células aos inibidores presentes no hidrolisado. Este estudo resultou no aumento das velocidades do processo, sendo 16% sobre a produtividade volumétrica em etanol (QP) e 10% sobre a velocidade de consumo de substrato (QS), quando comparado ao cultivo das células somente em meio semissintético. Na etapa seguinte utilizou-se um planejamento fatorial 22 com face centrada para otimização das condições de pH e concentração inicial de células (X0) na fermentação em HHBM não destoxificado e após a destoxificação com carvão ativado. Foram obtidos modelos para descrever os valores de YP/S e QP na região estudada, sendo que para o HHBM não destoxificado os valores destes parâmetros foram 0,40 g/g e 0,65 g/L.h, respectivamente, em pH 6,4 e X0 = 5,0 g/L (modelo 1). Em HHBM destoxificado, as condições ótimas foram obtidas em pH 6,0 e 1,36 g/L de células (modelo 2), obtendo-se YP/S de 0,40 g/g e QP de 0,46 g/L.h. Nas condições otimizadas foram então realizados ensaios que confirmaram a validade dos modelos 1 e 2, obtendo-se a máxima concentração de etanol (23,4 g/L), YP/S de 0,41 g/g e QP de 0,65 g/L.h em HHBM não destoxificado. Realizouse ensaios para avaliação do efeito do ácido acético sobre a fermentação em meio semissintético por P. stipitis, empregando-se as condições de pH e X0 otimizadas em HHBM não destoxificado (modelo 1) e destoxificado (modelo 2). Este estudo mostrou que nas condições do modelo 1, o ácido acético favoreceu a bioconversão sendo os melhores resultados obtidos na presença deste ácido (YP/S = 0,47 g/g e QP = 1,08 g/L.h). Por outro lado, nas condições do modelo 2, os valores de YP/S foram similares, enquanto que com a adição de ácido acético ao meio de fermentação, o valor de QP foi reduzido em 53%. Na fermentação em biorreator, o emprego das condições otimizadas em frascos (pH 6,4 e 5,0 g/L de células) resultaram em valores de QP 48% inferiores ao obtido em frascos (0,65 para 0,44 g/L.h), entretanto YP/S foi apenas 10% inferior (0,41 para 0,37 g/g). No presente estudo, conclui-se que a suplementação nutricional do HHBM e a otimização das condições de pH e X0 resultaram em valores promissores para os principais parâmetros da fermentação por P. stipitis, ressaltando o potencial deste hidrolisado em processos biotecnológicos para produção de etanol. / This study aimed to evaluate the ethanol production by Pichia stipitis in brewer\'s spent grain hemicellulosic hydrolysate (BSGHH). Initially, the effect of nutritional supplementation was evaluated by adding rice bran extract, urea and yeast extract. The results showed that supplementation only with yeast extract promoted the highest conversion values (YP/S = 0.44 g/L) and ethanol productivity (QP = 0.33 g/L.h). Additional assays showed that the optimal concentration of this nutrient was 3.0 g/L. To acclimate the cells to inhibitors present in BSGHH the yeast was cultivated in hydrolysate after growth for 24 hours in semisynthetic medium. This study resulted in increased of the process rates, 16% of the ethanol productivity (QP) and 10% on the substrate consumption (QS) when compared to growing cells only in the semisynthetic medium. In the second step a 22 full factorial centeredface design was employed to optimized the conditions of pH and initial cells concentration (X0) in fermentation of hydrolysate undetoxified and after detoxification with activated charcoal. Mathematical models that relate the YP/S and QP were obtained. For non-detoxified BSGHH (model 1) the optimal conditions of pH (6.4) and X0 (5.0 g/L) showed values parameters of 0.41 g/g and 0.65 g/L.h, respectively. In detoxified BSGHH (model 2) the optimum conditions of pH (6.0) and X0 (1.36 g/L), resulted in YP/S and QP values of 0.40 g/g and 0.46 g/L.h, respectively. Under these conditions, the the validity of the models were confirmed. The effect of acetic acid on fermentation by P. stipitis in semisynthetic medium, employing optimized conditions of pH and X0 in model 1 and model 2 was evaluated. The results showed that under the conditions of model 1 and in a concentration of 2,9 g/L, the acetic acid favored the bioconversion by P. stipitis, increasing the YP/S (15 %) and QP (66 %). On the other hand, in the conditions of the model 2 the YP/S values were similar, whereas the QP values were reduced by 53% when the acetic acid was added. By using these optimized conditions in bioreactor fermentation it was obtained the ethanol productivity was approximately 48% lower (0.65 to 0.44 g/L.h), however the ethanol production was similar as compared to fermentation flasks. It is possible conclude that the HHBSG requires nutritional supplementation and that the optimized conditions of pH and initial cells concentration can be used as a strategy in order to raising the fermentation parameters.