Obtenção de etanol de segunda geração (E2G) utilizando células de Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907 imobilizadas em alginato de cálcio

Abstract

O etanol de segunda geração (E2G) é obtido a partir de biomassas lignocelulósicas como o bagaço de cana-de-açúcar, subproduto da produção de etanol de primeira geração (E1G). Vários obstáculos precisam ser superados para a fermentação industrial do hidrolisado hemicelulósico (HH), obtido a partir do pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar com ácido sulfúrico diluído como, por exemplo, o consumo de xilose e resistência aos inibidores que prejudicam o desempenho de leveduras fermentadoras de pentoses como Spathaspora passalidarum. A imobilização pode ser uma alternativa para conferir proteção às células e aumentar a produtividade volumétrica do sistema, além de facilitar sua reutilização durante o processo. Neste trabalho foi avaliada a imobilização de células de S. passalidarum em esferas de alginato de cálcio e realizada a comparação do desempenho fermentativo em relação ao sistema com células livres. Neste contexto, foram realizados três ensaios: (1) células imobilizadas com concentração inicial elevada de açúcares redutores (AR) (120 g.L-1); (2) células imobilizadas com concentração inicial moderada de AR (70 ? 90 g.L-1) e (3) células livres com concentração inicial moderada de AR (70 ? 90 g.L-1), simulando o meio de HH com base nos tipos de AR (glicose e xilose) e suas proporções. Todos os ensaios ocorreram em shaker, a 30 °C e 110 rpm e foram realizadas cinco bateladas sucessivas visando o reuso de células. Para o ensaio com células imobilizadas em elevada concentração inicial de AR o máximo fator de conversão de substrato em produto (YP/S) foi alcançado na batelada B5 (0,30 g.g-1.h-1), e a produtividade (QP) máxima observada foi na B2 (0,93 g.L-1.h-1). O ensaio com células imobilizadas em concentração moderada de AR alcançou YP/S de 0,30 g.g-1.h-1 em B2, similar aos valores obtidos pelas células livres, na faixa de 0,30 a 0,33 g.g-1.h-1. Entretanto, QP foi inferior para este ensaio, alcançando 0,81 g.L-1.h-1 em B2, enquanto para células livres a faixa foi de 1,06 a 1,16 g.L-1.h-1. Uma técnica para determinação da concentração de células imobilizadas nas esferas de alginato foi desenvolvida, o que possibilitou a determinação das velocidades específicas para as fermentações realizadas. De acordo com os resultados obtidos foi possível demonstrar que S. passalidarum pode ser imobilizada em alginato de cálcio, no entanto, o suporte escolhido não se mostrou o mais adequado, pois devido à evolução de CO2 observou-se, por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV), a baixa resistência desta matriz, o que leva a sugerir o teste de outras matrizes para imobilização. Outra conclusão importante está na escolha do sistema de fermentação, que para o caso de S. passalidarum necessita de aeração para favorecer o consumo de xilose, portanto, sistemas em leito fluidizado contínuos poderiam ser uma alternativa para auxiliar na transferência deste nutriente.

Abstract: Second generation ethanol (E2G) is obtained from lignocellulosic biomasses such as sugarcane bagasse, a by-product of the first generation ethanol (E1G) production. Several obstacles must be overcome for the industrial fermentation of hemicellulosic hydrolyzate (HH), obtained from the pretreatment of sugarcane bagasse with diluted sulfuric acid, such as the consumption of xylose and resistance to inhibitors that harm the performance of pentose fermenting yeasts such as Spathaspora passalidarum. Immobilization can be an alternative to provide protection to cells and increase the volumetric productivity of the system, in addition to facilitating its reuse during the process. In this work, the immobilization of S. passalidarum cells in calcium alginate beads was evaluated and a comparison of the fermentative performance in relation to the system with free cells was performed. In this context, three tests were carried out: (1) immobilized cells with high initial concentration of reducing sugars (RS) (120 g.L-1); (2) immobilized cells with moderate initial concentration of RS (70 - 90 g.L-1) and (3) free cells with moderate initial concentration of RS (70 - 90 gL-1), simulating the HH medium based on the types of RS (glucose and xylose) and their proportions. All tests were carried out in a shaker, at 30 ° C and 110 rpm and five successive batches were performed aiming at the reuse of cells. For the assay with cells immobilized in high initial concentration of RS, the maximum substrate-to-product conversion factor (YP/S) achieved in the B5 batch of 0.30 g.g-1.h-1, and the maximum productivity (QP) observed it was in B2 (0.93 gL-1.h-1). The assay with cells immobilized in moderate RS concentration reached YP/S of 0.30 g.g-1.h-1 in B2, similar to the values obtained by free cells, in the range of 0.30 to 0.33 g.g-1. h-1. However, QP was lower for this test, reaching 0.81 g.L-1.h-1 in B2, while for free cells the range was 1.06 to 1.16 g.L-1.h-1. A technique for determining the concentration of cells immobilized in the alginate beads was developed, which made it possible to determine the specific rates for the fermentations performed. According to the results obtained, it was possible to demonstrate that S. passalidarum can be immobilized in calcium alginate, however, the support chosen was not the most appropriate, because due to the evolution of CO2 it was observed, by means of scanning electron microscopy (SEM), the low resistance of this matrix, which suggests suggesting the testing of other matrices for immobilization. Another important conclusion is in the choice of the fermentation system, which for the case of S. passalidarum needs aeration to favor the consumption of xylose, therefore, continuous fluidized bed systems could be an alternative to assist in the transfer of this nutrient.