Bioethanol production from a sub-product of pulping industry

Abstract

A vida da sociedade atual é dependente dos recursos fósseis, tanto a nível de energia como de materiais. No entanto, tem-se verificado uma redução das reservas destes recursos, ao mesmo tempo que as necessidades da sociedade continuam a aumentar, tornando cada vez mais necessárias, a produção de biocombustíveis e produtos químicos. Atualmente o etanol é produzido industrialmente a partir da cana-de-açúcar e milho, matérias-primas usadas na alimentação humana e animal. Este fato desencadeou o aumento de preços dos alimentos em todo o mundo e, como consequência, provocou uma série de distúrbios sociais. Os subprodutos industriais, recursos independentes das cadeias alimentares, têm-se posicionado como fonte de matérias-primas potenciais para bioprocessamento. Neste sentido, surgem os subprodutos gerados em grande quantidade pela indústria papeleira. Os licores de cozimento da madeira ao sulfito ácido (SSLs) são uma matériaprima promissora, uma vez que durante este processo os polissacarídeos da madeira são hidrolisados originando açúcares fermentáveis. A composição dos SSLs varia consoante o tipo de madeira usada no processo de cozimento (de árvores resinosas, folhosas ou a mistura de ambas). O bioprocessamento do SSL proveniente de folhosas (HSSL) é uma metodologia ainda pouco explorada. O HSSL contém elevadas concentrações de açúcares (35-45 g.L-1), na sua maioria pentoses. A fermentação destes açúcares a bioetanol é ainda um desafio, uma vez que nem todos os microrganismos são capazes de fermentar as pentoses a etanol. De entre as leveduras capazes de fermentar naturalmente as pentoses, destaca-se a Scheffersomyces stipitis, que apresenta uma elevada eficiência de fermentação. No entanto, o HSSL contém também compostos conhecidos por inibirem o crescimento de microrganismos, dificultando assim o seu bioprocessamento. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho foi a produção de bioetanol pela levedura S. stipitis a partir de HSSL, resultante do cozimento ao sulfito ácido da madeira de Eucalyptus globulus. Para alcançar este objetivo, estudaram-se duas estratégias de operação diferentes. Em primeiro lugar estudou-se a bio-desintoxicação do HSSL com o fungo filamentoso Paecilomyces variotii, conhecido por crescer em resíduos industriais. Estudaram-se duas tecnologias fermentativas diferentes para a biodesintoxicação do HSSL: um reator descontínuo e um reator descontínuo sequencial (SBR). A remoção biológica de inibidores do HSSL foi mais eficaz quando se usou o SBR. P. variotii assimilou alguns inibidores microbianos como o ácido acético, o ácido gálico e o pirogalol, entre outros. Após esta desintoxicação, o HSSL foi submetido à fermentação com S. stipitis, na qual foi atingida a concentração máxima de etanol de 2.36 g.L-1 com um rendimento de 0.17 g.g-1. P. variotti, além de desintoxicar o HSSL, também é útil na produção de proteína microbiana (SCP) para a alimentação animal pois, a sua biomassa é rica em proteína. O estudo da produção de SCP por P. variotii foi efetuado num SBR com HSSL sem suplementos e suplementado com sais. A melhor produção de biomassa foi obtida no HSSL sem adição de sais, tendo-se obtido um teor de proteína elevado (82,8%), com uma baixa concentração de DNA (1,1%). A proteína continha 6 aminoácidos essenciais, mostrando potencial para o uso desta SCP na alimentação animal e, eventualmente, em nutrição humana. Assim, a indústria papeleira poderá integrar a produção de bioetanol após a produção SCP e melhorar a sustentabilidade da indústria de pastas. A segunda estratégia consistiu em adaptar a levedura S. stipitis ao HSSL de modo a que esta levedura conseguisse crescer e fermentar o HSSL sem remoção de inibidores. Operou-se um reator contínuo (CSTR) com concentrações crescentes de HSSL, entre 20 % e 60 % (v/v) durante 382 gerações em HSSL, com uma taxa de diluição de 0.20 h-1. A população adaptada, recolhida no final do CSTR (POP), apresentou uma melhoria na fermentação do HSSL (60 %), quando comparada com a estirpe original (PAR). Após esta adaptação, a concentração máxima de etanol obtida foi de 6.93 g.L-1, com um rendimento de 0.26 g.g-1. POP possuía também a capacidade de metabolizar, possivelmente por ativação de vias oxidativas, compostos derivados da lenhina e taninos dissolvidos no HSSL, conhecidos inibidores microbianos. Por fim, verificou-se também que a pré-cultura da levedura em 60 % de HSSL fez com que a estirpe PAR melhorasse o processo fermentativo em HSSL, em comparação com o ensaio sem pré-cultura em HSSL. No entanto, no caso da estirpe POP, o seu metabolismo foi redirecionado para a metabolização dos inibidores sendo que a produção de etanol decresceu.

The fossil resources are declining while the requirements of modern lifestyle for energy and materials are growing. Hence, the search for sustainable alternatives to produce fuels and chemicals from non-fossil feedstocks is increasing. Among all biofuels, ethanol is currently being industrially produced from sugar-containing biomass such as sugarcane and corn. The use of these raw-materials, belonging to human and animal feeding, resulted in the rise of prices of food all over the world and, consequently, in social disturbance. The use of industrial by-products, raw-materials outside the food chain, with polysaccharides hydrolysed to fermentable sugars, is an attractive prospect for future biotechnologies. In this context, spent sulphite liquors (SSLs), by-products from the pulp and paper industry, are promising feedstocks for bioprocessing. The composition of SSLs depends on the type of wood used by the pulp and paper industry (softwoods, hardwoods or mixture of both). Hardwood spent sulphite liquor (HSSL) is a by-product from the pulp and paper industry, rich in pentoses, which is not fully exploited for bioprocessing. The sustainable fermentation of pentoses into bioethanol is a challenge to overcome since not all the microorganisms are able to use these sugars. Scheffersomyces stipitis is one of the most efficient yeast to naturally ferment pentoses to ethanol. However, besides sugars (35-45 g.L-1), HSSL contains microbial inhibitors that limit the possibility of its bioprocessing. Therefore, the main purpose of this work was the production of bioethanol by S. stipitis from HSSL of Eucalypt globulus. To accomplish this objective two different strategies were studied. The first one was the bio-detoxification of HSSL with the filamentous fungus Paecilomyces variotii, known for growing in polluted residues. Two fermentative approaches were compared, a single batch and a sequential batch reactor (SBR). Biological treatment of HSSL to remove microbial inhibitors was more efficient in the SBR. P. variotti was able to assimilate acetic acid as well as low molecular weight phenolics such as, gallic acid and pyrogallol, recognized yeast inhibitors. This bio-detoxified HSSL was subjected to a successful fermentation by S. stipitis, attaining a maximum ethanol concentration of 2.36 g.L−1 with a yield of 0.17 g.g−1. Moreover, the biomass produced by P. variotii is a potential source of protein and other nutrients for animal feeding. Hence, SCP production by P. variotii from HSSL was studied using a SBR with and without mixed salts supplementation. The best approach for SCP production was the SBR without salts addition. The biomass produced presented 82.8 % of protein with 6 essential amino acids and 1.1 % of DNA. Therefore the produced SCP could be considered a good candidate for animal feeding and, eventually, human nutrition. This is a major advantage for a biorefinary approach, since this bio-detoxification process and the SCP production can be integrated with bioethanol production by S. stipitis. The second strategy to produce bioethanol was to improve the tolerance of S. stipitis in order to utilize the xylose present in HSSL without the removal of inhibitory compounds. A continuous reactor with increasing HSSL concentrations, between 20 % and 60 % (v/v) was operated during 382 generations of HSSL, at a dilution rate of 0.20 h-1. The resulting adapted population (POP) showed improved fermentation behaviour in 60 % HSSL when compared with the parental strain (PAR). POP achieved a maximum ethanol concentration of 6.93 g.L-1, with a maximum ethanol yield of 0.26 g.g-1. It was also showed that POP could assimilate dissolved lignin oligomers and tannins probably through activating oxidative pathways. Moreover, preculturing PAR in HSSL improved its tolerance towards the HSSL inhibitors and also the yeast fermentation ability. Nevertheless, preculturing POP in HSSL, redirected its metabolism to the assimilation of inhibitors, reducing the ethanol production.