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Previous issue date: 2014-03-18 / To supply the increasing demand for bioethanol it is necessary to search for new sources of
renewable raw materials and emerging technologies. Most studies have been directed to the
cellulose, since this fraction is more abundant in biomass and its hydrolysis leads to glucose,
a more easily metabolizable sugar for the commercially available yeasts. Considering that
the hemicellulose represents 20-30% of plant biomass and is easily removable, either by
acid or enzymatic hydrolysis, the use of this fraction by pentose-fermenting yeasts as
Scheffersomyces (Pichia) stipitis has been promising. However, the process of hydrolysis of
lignocellulosic biomass to the release of fermentable sugars, specifically the acid hydrolysis,
generates toxic compounds that impair the microbial metabolism and ethanol production.
Thus, it is important to know the different effects of the major inhibitors present in
hemicellulosic hydrolysates in the metabolism of S. stipitis ATCC 58376. For this purpose the
culture was performed in synthetic medium supplemented with different concentrations of the
inhibitors furfural, HMF, acetic acid, syringic acid and vanillin, following the Plackett and
Burman factorial design with 12 assays (7 assays more compared to the number of
independent variables) and 4 assays at the central point, totalizing 16 assays. The assays
were conducted under agitation of 200 rpm at 30 °C and pH 5.25 for 96 hours. The analysis
of the kinetic profiles obtained showed that the consumption of sugars, cell growth and
ethanol production by S. stipitis were adversely affected by the addition of inhibitor
compounds in synthetic medium promoting the inhibition of cell growth and ethanol
production, as well as the delay in the consumption of sugars (xylose and glucose) according
to the concentrations of the inhibitors tested. However, the acetic acid concentration of
2.0 g / L favored S. stipitis metabolism in the assays 09 (furfural 0.025 g.L-1; HMF: 0.01 g.L-1;
acetic acid: 2.0 g.L-1, vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.75 g.L-1), 10 (furfural: 0.75 g.L-1
HMF: 0,01 g.L-1; vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.75 g.L-1) and 02 (furfural: 0.75 g.L-1;
HMF: 0.03 g.L-1; acetic acid 2.0 g.L-1; vanillin: 0.09 g.L-1 and syringic acid: 0.025 g L-1), with
peak concentrations of ethanol obtained in 72 hours of 14.3 g.L-1, 12.43 g.L-1 and 10.75 g.L-1,
respectively, higher than the control assay (10.05 g.L-1), that lacked inhibitors. In assays with
6.0 g.L-1 of acetic acid, the metabolism of the yeast was completely inhibited. Statistical
analysis for cell growth response showed that only acetic acid was significant (p < 0.10),
being the most potent inhibitor. The others inhibitors also showed negative effect, except for
syringic acid, which had a positive effect at 72 and 96 hours, but were not statistically
significant. For the response ethanol production, among the factors evaluated, only the effect
of furfural was not significant (p> 0.10). The most potent inhibitors were acetic acid and HMF,
while vanillin and syringic acid promoted a positive effect on ethanol production. These
results contribute to the choice of an appropriate method of detoxification for hemicellulosic
hydrolyzate, which aims for a greater removal of the compounds that actually affect the
metabolism of S. stipitis ATCC 58376 / Para suprir a demanda crescente de bioetanol há necessidade de buscar novas fontes de
matérias-primas renováveis e tecnologias emergentes. A maior parte dos estudos tem sido
direcionada à celulose, visto que esta fração é mais abundante na biomassa e sua hidrólise
resulta em glicose, açúcar mais facilmente metabolizável por leveduras comercialmente
disponíveis. Considerando que a hemicelulose representa 20-30% da biomassa vegetal e é
facilmente extraível, seja por hidrólise ácida ou enzimática, a utilização desta fração por
leveduras fermentadoras de pentoses, como Scheffersomyces (Pichia) stipitis, tem se
mostrado promissora. No entanto, o processo de hidrólise da biomassa lignocelulósica para
liberação dos açúcares fermentescíveis, em específico a hidrólise ácida, gera compostos
tóxicos que prejudicam o metabolismo microbiano e a produção de etanol. Assim, é
importante o conhecimento dos efeitos distintos dos principais inibidores presentes nos
hidrolisados hemicelulósicos no metabolismo de S. stipitis ATCC 58376. Para isso foram
realizados cultivos em meio sintético, adicionado de diferentes concentrações dos inibidores
furfural, HMF, ácido acético, ácido siríngico e vanilina, seguindo o planejamento fatorial
Plackett e Burman com 12 ensaios (7 ensaios a mais em relação ao número de variáveis
independentes) e 4 ensaios no ponto central, totalizando 16 ensaios. Os ensaios foram
conduzidos sob agitação de 200 rpm, temperatura de 30 °C e pH inicial 5,25 por 96 horas. A
análise dos perfis cinéticos obtidos mostrou que o consumo de açúcares, o crescimento
celular e a produção de etanol por S. stipitis foram afetados negativamente pela adição de
compostos inibidores em meio sintético, promovendo a inibição do crescimento celular e
produção de etanol, bem como o retardo no consumo de açúcares (glicose e xilose) de
acordo com as concentrações dos inibidores testadas. No entanto, o ácido acético em
concentração de 2,0 g/L favoreceu o metabolismo de S. stipitis, nos ensaios 09 (furfural:
0,025 g.L-1; HMF: 0,01 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico:
0,75 g.L-1), 10 (furfural: 0,75 g.L-1; HMF: 0,01 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1; vanilina: 0,09 g.L-1
e ácido siríngico: 0,75 g.L-1) e 02 (furfural: 0,75 g.L-1; HMF: 0,03 g.L-1; ácido acético 2,0 g.L-1;
vanilina: 0,09 g.L-1 e ácido siríngico: 0,025 g.L-1), sendo as máximas concentrações de
etanol obtidas em 72 horas de 14,3 g.L-1, 12,43 g.L-1 e 10,75 g.L-1,respectivamente, sendo
valores superiores ao ensaio controle (10,05 g.L-1), que não possuía inibidores. Nos testes
com 6,0 g.L-1 de ácido acético, o metabolismo da levedura foi completamente inibido. A
análise estatística para a resposta crescimento celular mostrou que somente o ácido acético
foi significativo (p<0,10), mostrando-se o mais potente inibidor. Os demais inibidores
também apresentaram efeito negativo, exceto o ácido siríngico, que apresentou efeito
positivo em 72 e 96 horas, porém não foram estatisticamente significativos. Para a resposta
produção de etanol, entre os fatores avaliados, somente o efeito do furfural não foi
significativo (p>0,10). Os mais potentes inibidores foram o ácido acético e o HMF, enquanto
vanilina e ácido siríngico promoveram um efeito positivo na produção de etanol. Esses
resultados contribuem para a escolha de um método de destoxificação adequado para o
hidrolisado hemicelulósico, que vise uma maior remoção dos compostos que realmente
afetam o metabolismo de S. stipitis ATCC 58376
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede.unioeste.br:tede/173 |
| Date | 18 March 2014 |
| Creators | Leonel, Lillian Vieira |
| Contributors | Sene, Luciane |
| Publisher | Universidade Estadual do Oeste do Parana, Programa de Pós-Graduação "Stricto Sensu" em Engenharia Agrícola, UNIOESTE, BR, Engenharia |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do UNIOESTE, instname:Universidade Estadual do Oeste do Paraná, instacron:UNIOESTE |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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