Produção biotecnológica de xilitol a partir da mistura de bagaço e palha de cana-de-açúcar com aproveitamento do melaço: Otimização das condições de cultivo e engenharia da via metabólica

Autor: Andres Felipe Hernandez Perez
Přispěvatelé: Maria das Graças de Almeida Felipe, Fernando Segato, Sandra Regina Ceccato Antonini, Inês Conceição Roberto, Luciane Sene
Rok vydání: 2020
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
DOI: 10.11606/t.97.2020.tde-29012020-153201
Popis: A sustentabilidade da economia baseada em biomassa vegetal é dependente do desenvolvimento de biorrefinarias para obtenção de bioenergia e químicos de alto valor agregado, a exemplo do xilitol que apresenta um mercado crescente e diversas aplicações industriais. A viabilidade do bioprocesso para obtenção deste poliol, baseado na bioconversão da xilose proveniente da fração hemicelulósica da biomassa, depende de sua integração em uma biorrefinaria, de forma a se tornar uma alternativa rentável e sustentável ao método químico comercial. Neste contexto, este projeto visou contribuir para o desenvolvimento de uma rota biotecnológica de produção de xilitol a partir do aproveitamento de subprodutos da agroindústria da cana-de-açúcar (bagaço, palha e melaço), com vistas a sua integração no setor sucroalcooleiro no contexto de biorrefinaria. Resultados de pesquisa recente revelaram o efeito benéfico da sacarose na bioprodução de xilitol em hidrolisado hemicelulósico de palha de cana, o que impulsionou a continuidade das investigações nesta temática. Portanto, este projeto teve como foco principal a melhoria da bioprodução de xilitol por Candida tropicalis pelo aumento concomitante nos valores de fator de conversão de xilose em xilitol (YP/S) e produtividade volumétrica (QP), a partir do estudo de condições de cultivo e estratégias de engenharia da via metabólica. Em uma primeira etapa, verificou-se o potencial da mistura do bagaço e palha de cana como matéria-prima neste bioprocesso, em função à alta proporção de xilose (33,87%) em relação aos outros carboidratos constituintes. As etapas de hidrólise ácida diluída, concentração à vácuo e destoxificação resultaram em hidrolisado hemicelulósico com elevada proporção de xilose (77,76%) em comparação com os outros monossacarídeos, e com compostos potencialmente tóxicos em concentrações menores às já reportadas como inibitórias. Na segunda etapa, constatou-se que a sacarose suplementada ao meio de fermentação teve efeito benéfico como co-substrato na produção de xilitol em escala de biorreator de bancada, em função de sua concentração e da disponibilidade de oxigênio (em termos de coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio - KLa). A utilização de condições dentro da faixa de otimização destes fatores (sacarose 0,9 gL-1 e KLa 6,5 h-1) resultou em valores máximos de YP/S (0,86 gg-1) e QP (0,54 gL-1h-1), os quais foram 30 e 39% maiores aos obtidos no mesmo KLa e sem adição de sacarose. A avaliação do melaço de cana (concentração de sacarose ajustada a 20 gL-1) como única suplementação nutricional do hidrolisado em escala de frascos agitados demonstrou melhoria na bioprodução de xilitol, em termos de consumo de xilose, YP/S e QP, em comparação com a formulação convencional do meio. Na terceira etapa, as estratégias implementadas para o desenvolvimento de uma cepa de C. tropicalis com auxotrofia a uridina e a super expressão dos genes que codificam para a xilose redutase e glucose-6-fosfato desidrogenase tiveram resultados não satisfatórios. Os resultados obtidos no presente estudo contribuem com embasamento científico para o desenvolvimento de uma tecnologia de bioprodução de xilitol alternativa ao processo químico comercial, e com potencial de ser integrada em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar, a partir do aproveitamento de três subprodutos deste setor. Sustainability of the biomass-based economy depends on the development of biorefineries for production of bioenergy and high added-value chemicals, such as xylitol, which has a growing market and diverse industrial applications. Viability of the bioprocess to obtain this polyol, which is based on bioconversion of the xylose derived from the hemicellulosic fraction of biomass, depends on its integration into a biorefinery, in order to become a profitable and sustainable alternative to the commercial chemical method. In this context, the main objective of this project was to contribute to the development of a biotechnological route for xylitol production from the use of sugarcane agro-industry byproducts (bagasse, straw and molasses), aiming to its integration on the sugar-alcohol sector in a biorefinery context. A recent research revealed the beneficial effect of sucrose on the xylitol bioproduction in the sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate, which promote the continuity of research on this subject. Therefore, this project had as main focus the improvement of xylitol bioproduction by Candida tropicalis by concomitant increases in xylitol yield (YP/S) and volumetric productivity (QP), from the study of culture conditions and strategies for metabolic pathway engineering. In the first stage, the potential of the mixture of sugarcane bagasse and straw as raw material in this bioprocess was verified, based on its high proportion of xylose (33.87%) in relation to the other constituent carbohydrates. The steps of dilute acid hydrolysis, vacuum concentration and detoxification resulted in a hemicellulosic hydrolysate with a high proportion of xylose (77.76%) compared to other monosaccharides, and with potentially toxic compounds at concentrations lower than those already reported as inhibitory. In the second stage, it was found that sucrose supplemented to the fermentation medium had a beneficial effect as a co-substrate on xylitol production at bench bioreactor scale, as a function of its concentration and the oxygen availability, evaluated in terms of the volumetric oxygen mass transfer coefficient (KLa). Utilization of conditions within the optimization range (sucrose 0.9 gL-1 and KLa 6.5 h-1) resulted in maximum values of YP/S (0.86 gg-1) and QP (0.54 gL-1h-1), which were 30 and 39% higher than those obtained in the same KLa and without sucrose addition. Study of molasses (sucrose concentration adjusted to 20 gL-1) as the sole nutritional supplementation of the hydrolysate at shaken flasks scale demonstrated improvement in xylitol bioproduction, in terms of xylose consumption, YP/S and QP, compared to the conventional formulation of the medium. In the third stage, strategies implemented for the development of a C. tropicalis strain with uridine auxotrophy and the overexpression of the genes coding for xylose reductase and glucose-6-phosphate dehydrogenase did not have satisfactory results. The results obtained in the present study contribute as scientific background for the development of a profitable xylitol bioproduction technology as an alternative to the commercial chemical process, and with potential to be integrated potential in a sugarcane biorefinery, based on the use of three byproducts of this sector.
Databáze: OpenAIRE
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