Aproveitamento da xilose presente na fração hemicelulósica do bagaço de cana de açúcar para estabelecer uma estratégia de produção de etanol

Abstract

O etanol de segunda geração (E2G) tornou-se uma possibilidade para contornar problemas com o excedente de resíduos lignocelulósicos e sazonalidade da cana de açúcar na produção de etanol de primeira geração (E1G), uma vez que utiliza o bagaço e palha de cana de açúcar hidrolisados para a produção de etanol. Porém, existem alguns desafios a serem solucionados para implementação e viabilização dessa nova tecnologia destacando-se a fermentação da fração de pentoses provenientes da hidrólise da hemicelulose e os altos custos de instalação de uma usina greenfield para segunda geração. Neste trabalho foram avaliadas duas leveduras não convencionais (Scheffersomyces stipitis e Spathaspora passalidarum) e duas industriais geneticamente modificadas (S. cerevisiae MP-C5 e MP-C5H1) para o consumo de xilose, presente na fração de pentoses provenientes da hidrólise da hemicelulose. Neste contexto, estudou-se uma estratégia de escalonamento de processo, selecionando as melhores cepas, condições de crescimento em pré-inóculo e inóculo, determinando a composição do meio de fermentação e por fim, propagações e fermentações em biorreator. O protocolo de pré inóculo foi estabelecido em meio YPSX (contendo sacarose, xilose, extrato de levedura e peptona) por 12 h a 30 °C para as quatro cepas testadas. As cepas S. cerevisiae MP-C5H1 e Sp. passalidarum foram selecionadas para os testes seguintes devido ao melhor desempenho. Para o inóculo, o meio YPSX também foi selecionado com valores finais de concentração de biomassa celular (8 g/L e 7 g/L) e velocidade específica de crescimento (µmáx) 0,34 h-1 e 0,31 h-1 para S. passalidarum e MP-C5H1, respectivamente. Foi estabelecida também a proporção de açúcares no meio de fermentação em 70 % de xilose e 30 % sacarose, concentração inicial de substrato em 90 g/L, para ambas as leveduras, por apresentarem melhores rendimentos globais em etanol, título de etanol e consumo dos substratos. Destaque para a levedura recombinante S. cerevisiae MP-C5H1 selecionada para fermentação em reator, justificada pelo maior rendimento global (65,75 %) obtido na fermentação em frasco e melhor adequação a estratégia de integração proposta. Nas fermentações em meio rico em biorreator, destaca-se o resultado inédito encontrado de produtividade volumétrica global em etanol de 2,24 g/L h e consumo de 4,36 g/L h de xilose. Com o parâmetro de consumo estabelecido, fez-se a fermentação em batelada alimentada com hidrolisado hemicelulósico e melaço reproduzindo as proporções e concentrações determinadas anteriormente, obtendo título de etanol de 44,5 g/L, e produtividade de 1,59 g/L h, resultados superiores aos descritos até o presente na literatura científica internacional.

Abstract: Second generation ethanol (E2G) has become a possibility to solve problems with excess lignocellulosic waste and sugarcane seasonality in the production of first generation ethanol (E1G), since it uses sugarcane bagasse and straw hydrolysed sugar for ethanol production. However, there are some challenges to be solved for the implementation and viability of this new technology, highlighting the fermentation of the fraction of pentoses from the hydrolysis of hemicellulose and the high costs of installing a second generation greenfield plant. In this work, two unconventional yeasts (Scheffersomyces stipitis and Spathaspora passalidarum) and two industrial genetically modified yeasts (S. cerevisiae MP-C5 and MP-C5 H1) were evaluated for the consumption of xylose, present in the fraction of pentoses from the hydrolysis of the hemicellulose. In this context, a process scaling strategy was studied, selecting the best strains, growth conditions in pre-inoculum and inoculum, determining the composition of the fermentation medium and, finally, propagation and fermentation in a bioreactor. The pre-inoculum protocol was established in YPSX medium (containing sucrose, xylose, yeast extract and peptone) for 12 h at 30 °C for the four strains tested. The strains S. cerevisiae MP-C5H1 and Sp. passalidarum were selected for the following tests with best growing performance. For inoculum, the YPSX medium was also selected with final values of cell biomass concentration (8 g L-1 and 7 g L-1) and specific growth rate (µmax) 0.34 h-1 and 0.31 h-1 for S. passalidarum and MP-C5H1, respectively. The proportion of sugars in the fermentation medium was established in 70 % xylose and 30 % sucrose, initial substrate concentration in 90 g L-1, for both yeasts, as they achieve better ethanol yields, ethanol titer and substrate consumption. The recombinant yeast MP-C5H1 was selected to the next step (bioreactor fermentation), justified by the highest ethanol yield (65,75 %) obtained in the flask fermentation and better adaptation to the proposed integration strategy. In fermentations in medium rich on bioreactor, we highlight the unprecedented result of global volumetric productivity in ethanol of 2.44 g L-1 h-1 and consumption. of 4.36 g L-1 h-1 of xylose. With the consumption parameter established, batch fermentation was carried out with hemicellulosic hydrolysate and sugarcane molasses, reproducing the proportions and concentrations previously determined, obtaining an ethanol titer of 44,5 g L-1, and ethanol productivity 1,59 g L-1 h-1, results superior to those described in the international scientific literature.