Efeito da disponibilidade de oxigénio na produção de bioetanol por Scheffersomyces stipitis

Abstract

O bioetanol constitui uma alternativa renovável aos combustíveis fósseis. Contudo, o bioetanol de primeira geração, produzido a partir de matérias-primas alimentares, desencadeou sérios problemas económicos e sociais, pelo que é fundamental encontrar estratégias que permitam a viabilidade comercial do bioetanol de segunda geração, produzido a partir de matérias-primas lenho-celulósicas. O licor de cozimento ao sulfito ácido de árvores folhosas (HSSL) é um subproduto da indústria papeleira que, devido ao seu elevado conteúdo em açúcares, pode ser utilizado como substrato para a produção de bioetanol de segunda geração. No entanto, a maior fração dos açúcares do HSSL é composta por pentoses. Por isso, a fermentação do HSSL é realizada pela levedura Scheffersomyces stipitis, pois esta é capaz de fermentar tanto as hexoses como as pentoses. Todavia, a S. stipitis só produz etanol sob condições microaerófilas, pelo que o maior desafio da produção de bioetanol por S. stipitis reside no estabelecimento das condições ótimas de arejamento. Este trabalho teve assim por objetivo estabelecer uma estratégia de arejamento que permita a eficiente produção de bioetanol a partir de HSSL por S. stipitis C4, a qual é uma estirpe adaptada a este substrato. Deste modo, foram realizados ensaios em Erlenmeyer, de modo a caracterizar o crescimento da S. stipitis C4, e ensaios em biorreator, com vista a estudar a produção de etanol por S. stipitis C4 em duas estratégias de arejamento diferentes. Na primeira estratégia foi usado apenas um único estágio de arejamento, com controlo da tensão de oxigénio dissolvido, DOT (%), e na segunda estratégia foram usados dois estágios de arejamento, com controlo da DOT no primeiro estágio e com restrição de oxigénio no segundo estágio. Nos ensaios em Erlenmeyer com HSSL o crescimento da S. stipitis C4 foi completamente inibido. Por sua vez, nos ensaios em biorreator com um único estágio de arejamento o controlo da DOT não permitiu a produção de etanol. No entanto, nos ensaios com dois estágios de arejamento em meio sintético foi possível produzir etanol de forma eficiente. Nesta estratégia, a utilização de um maior valor de DOT no primeiro estágio de arejamento permitiu aumentar a taxa específica de crescimento máxima e o rendimento em biomassa do primeiro estágio. Para além disso, a utilização de um maior valor de DOT no primeiro estágio também permitiu aumentar a produtividade em etanol durante o segundo estágio de arejamento. Por sua vez, no segundo estágio de arejamento verificou-se que a restrição de oxigénio evitou a reassimilação de etanol pela S. stipitis C4. Deste modo, os melhores resultados para a produção de etanol foram obtidos com controlo da DOT a 50% durante o primeiro estágio e com 0 mLAr.min-1 e 250 rpm durante o segundo estágio de arejamento. A aplicação desta estratégia de arejamento a 60% HSSL/40% meio sintético permitiu obter, no primeiro estágio de arejamento, uma taxa específica de crescimento máxima de 0,17 h-1, o que demonstra que a elevada disponibilidade de oxigénio durante o primeiro estágio aumenta a tolerância da S. stipitis C4 aos inibidores. Para além disso, a taxa volumétrica de produção de etanol e o rendimento em etanol de toda a fermentação foi de respetivamente de 0,03 g.L-1.h-1 e 0,38 g.g-1. Assim, a elevada eficiência de conversão dos açúcares em etanol (74,4%) demostra que a fermentação com dois estágios de arejamento constitui uma estratégia promissora para a produção de bioetanol de segunda geração a partir de HSSL.

Bioethanol is a renewable alternative to fossil fuels. However, the first generation bioethanol, produced from food feedstocks, triggered serious economic and social problems, therefore it is essential to find strategies to enable the commercial viability of second generation bioethanol, produced from lignocellulosic feedstocks. Hardwood spent sulfite liquor (HSSL) is a by-product from paper industry that can be used as substrate for second generation bioethanol production, owing to its high sugars content. However, pentoses are the largest fraction of HSSL sugars. Therefore, the fermentation of HSSL is performed by Scherffersomyces stipitis, since this yeast is able to ferment both hexoses and pentoses. Nevertheless, S. stipitis only produces ethanol under microaerophilic conditions, so the establishment of optimal aeration conditions is the main challenge for ethanol production by S. stipitis. Thus, this work aimed to establish an aeration strategy that allows for the efficient bioethanol production from HSSL by S. stipitis C4, which is an adapted strain to this substrate. In this way, experiments were carried out in Erlenmeyer, in order to characterize S. stipitis C4 growth, and in bioreactor, in order to study the ethanol production by S. stipitis C4 in two different aeration strategies. In the first strategy was used just one aeration stage, with dissolved oxygen tension (DOT, %) control, and in the second strategy were used two aeration stages, with DOT control in the first stage and with oxygen restriction in the second stage. In the Erlenmeyer experiments, the S. stipitis C4 growth was completely inhibited by HSSL. Regarding to the bioreactor experiments, the DOT control did not allow for an ethanol production in one stage aeration strategy. However, efficient ethanol production was possible in two stage aeration strategy with synthetic medium. In this strategy, the maximum specific growth rate and the biomass yield increased with the use of a higher DOT value in the first aeration stage. In addition, the ethanol productivity during second aeration stage also increased with the use of a higher DOT value in the first aeration stage. In turn, the oxygen restriction in second aeration stage avoided the ethanol reassimilation by S. stipitis C4. Thus, the best results for ethanol production were obtained with DOT control to 50% during the first aeration stage and with 0 mLAir.min-1 e 250 rpm during the second aeration stage. The application of this aeration strategy to 60% HSSL/40% synthetic medium allowed to reach a maximum specific growth rate of 0.17 h-1 in the first aeration stage, which demonstrates the increases of S. stipitis C4 tolerance to inhibitors by the high oxygen availability. Furthermore, the whole fermentation ethanol volumetric production rate and ethanol yield was 0.03 g.L-1.h-1 e 0.38 g.g-1, respectively. Thus, the high conversion efficiency of sugar in ethanol (74.4%) demonstrates the two stage aeration fermentation as a promising strategy for second generation bioethanol production from HSSL.