Influência da presença de compostos fenólicos na produção de etanol de segunda geração

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Química Verde

Autores

Trinca, N.R.R. (UNESP/IBILCE) ; Garcia-cruz, C.H. (UNESP/IBILCE)

Resumo

A produção de etanol a partir de resíduos lignocelulósicos é uma opção para reduzir resíduos agrícolas, florestais e de industrias no meio ambiente, além de se ter a possibilidade de obter etanol durante todo o ano. Contudo, alguns compostos oriundos destes resíduos podem ser tóxicos aos micro-organismos, o qual pode prejudicar na produção de etanol. O objetivo do presente trabalho foi de verificar a influência dos compostos fenólicos presentes em hidrolisado ácido de casca de soja na co-fermentação com células imobilizadas de Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis e Pachysolen tannophilus para produção de etanol de segunda geração. A maior produção de etanol, bem como maior consumo dos açúcares fermentescíveis, ocorreram em meio de cultura com hidrolisado desintoxicado.

Palavras chaves

Hidrólise Ácida; Imobilização celular; Co-fermentação

Introdução

O etanol, quando queimado, libera quantidades similares de dióxido de carbono quando comparado aos combustíveis fósseis. Contudo, por ser de origem vegetal, este dióxido de carbono é captado por sua fonte de origem durante todo seu cultivo e retorna ao ciclo do carbono. (BONASSA et al, 2015). Este biocombustível é considerado uma alternativa viável para os combustíveis de origem fóssil, que possuem fontes finitas, além de ser mais amigável ao meio ambiente. Este combustível pode ser produzido a partir de resíduos, sejam eles de origem agrícola, florestal ou da indústria alimentícia, os quais contêm açúcares que podem ser convertidos a etanol durante o processo fermentativo realizado por micro-organismos chamado de etanol de segunda geração (DIAS et al, 2012). Estes resíduos são formados, principalmente, por lignina, hemicelulose e celulose ligados entre si por ligações covalentes. Alguns tratamentos auxiliam no fracionamento destes resíduos e na liberação de açúcares fermentescíveis oriundos da celulose e hemicelulose que podem ser convertidos a etanol, porém podem liberar também compostos considerado tóxicos aos micro-organismos como, por exemplo, os compostos fenólicos (ZIKELI et al, 2016) os quais podem interagir com as zonas hidrofóbicas da célula, acarretando perda da integridade da membrana (DUARTE et al, 2005). Na produção de etanol de segunda geração podem ser convertidos a etanol diferentes açúcares (hexoses e pentoses), assim uma maior produção é alcançada utilizando deferentes micro-organismos que assimilem estes açúcares (KO et al, 2016). Portanto o objetivo deste trabalho foi verificar a influência dos compostos fenólicos presentes em hidrolisado ácido de casca de soja durante para produção de etanol com co-fermentação.

Material e métodos

Obtenção do Hidrolisado de Casca de Soja: As cascas de soja foram trituradas até obter partículas ≤0,84 mm. Para a hidrólise ácida, pesou-se, em recipiente Erlenmeyer, as cascas na proporção de 1:5 (casca de soja:solução de ácido sulfúrico), adicionou-se ácido sulfúrico na concentração de 1,5% (v/v) e os recipientes foram levados à autoclave, o quais permaneceram por 15 minutos, tempo este marcado após atingir temperatura de 121 ºC. Após o pH foi ajustado para 5,5. Centrifugou-se e filtrou-se o conteúdo e o sobrenadante foi concentrado em banho-maria a 70 ºC até concentração de açúcares redutores desejada. Desintoxicação: Parte do hidrolisado concentrado foi desintoxicado de acordo com Mussatto e Roberto (2004). Imobilização celular: A imobilização celular ocorreu do mesmo modo para os três micro- organismos utilizados. Posterior crescimento, o meio foi centrifugado a 6000 rpm por 15 minutos a 4ºC e descartou-se o sobrenadante. Adicionou-se água destilada esterilizada e agitou-se a fim de se tornar uma solução homogênea. Os micro-organismos foram inoculados em casca de soja contendo meio para crescimento previamente esterilizados. Os Erlenmeyers foram colocados em incubadora orbital refrigerada a 150 rpm por 24 horas a 30 ºC. Fermentação: As condições empregadas foram pH inicial 5,5; concentração inicial de açúcares de 60 g.L-1 temperatura de 30ºC para a Zymomonas mobilis e 35 ºC para as duas leveduras; e velocidade de agitação de 100 rpm para Pachysolen tannophilus e estático para Z. mobilis e Saccharomyces cerevisiae. O tempo de fermentação total foi de 25 horas. Métodos Analíticos: Quantificou-se compostos fenólicos de acordo com Chaovanalikit, Wrolstad (2004), açúcares redutores segundo Nelson (1944) e Somogyi (1952) e o etanol por cromatografia gasosa.

Resultado e discussão

Foram realizadas análises de açúcares redutores e análise de compostos fenólicos do hidrolisado antes e após o processo de desintoxicação e ocorreu uma redução de 27,1% dos compostos fenólicos presentes e 20% de açúcares redutores posterior processo de desintoxicação. Esta redução dos compostos fenólicos foi menor do que a encontrada na literatura (COIMBRA, 2015; FERREIRA, 2017), provavelmente pelo método de desintoxicação empregado serem diferentes em relação ao presente estudo. Na co-fermentação a ordem dos micro-organismos foram S. cerevisiae por converter glicose a etanol em um curto período, após 4 horas Z. mobilis por ter maior resistência ao etanol e após 6 horas P. tanophilus para conversão da xilose em etanol, uma vez que, inocular esta levedura por último, segundo Fu e Peiris (2008), evita a repressão do catabolismo da xilose pela glicose. A figura 1 mostra a quantidade de açúcares residuais e de etanol produzido de cada etapa da co-fermentação. Tanto a produção de etanol quanto o consumo de açúcares foram maiores no meio fermentativo com hidrolisado desintoxicado. Neste meio de cultura ao final das 25 horas de fermentação a produção de etanol foi de 5,9 g.L-1 e o consumo de açúcar foi de 83%. Já para o meio fermentativo com hidrolisado sem desintoxicação a produção de etanol ao fim do processo foi de 3,7 g.L-1 e consumo de 72% dos açúcares. O rendimento da produção de etanol com hidrolisado desintoxicado foi de 0,12% e para o hidrolisado sem desintoxicação foi de 0,08%. O crescimento celular e a produção de etanol mostraram que os compostos fenólicos não inibiram a S. cerevisiae, já que tanto a produção quanto o crescimento foram próximos para os dois meios de cultura, contudo a desintoxicação foi necessária para a Z. mobilis e P. tannophilus.

Produção de etanol e açúcar residual das co- fermentações utilizando hidrolisado desintoxicado e hidrolisado sem desintoxicação.

Conclusões

A desintoxicação foi eficaz na redução de compostos fenólicos para obtenção de etanol e a levedura S. cerevisiae se mostrou resistente a estes compostos. Obteve-se maior produção de etanol em meio de cultura com hidrolisado desintoxicado, concluindo-se que para a bactéria Z. mobilis e para a levedura P. tannophilus a desintoxicação é necessária.

Agradecimentos

À CAPES e FAPESP pelo apoio financeiro. Ao Planeta soja da Universidade de Marília/SP pelo fornecimento das cascas de soja.

Referências

BONASSA, G.; SCHNEIDER, L. T.; CREMONEZ, P. A.; OLIVEIRA, C. J.; TELEKEN,J. G.; FRIGO, E. P. Optimization of first generation alcoholic fermentation process with Saccharomyces cerevisiae. Acta Scientiarum. Technology. v. 31, n. 3, p. 313-320, 2015.

CHAOVANALIKIT, A.; WROLSTAD, R.E. Total anthocyanins and total phenolics of fresh and processed cherries and their antioxidant properties. Food Chemistry and Toxicology, v. 69, n. 1, p. 67-72, 2004.

COIMBRA, M. C. Produção de etanol utilizando cascas de banana e laranja por co-fermentação de Zymomonas mobilis e Pichia stipitis. 2015. 125f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Alimentos) – Universidade Estadual Paulista, 2015.

DIAS, M. O. S.; JUNQUEIRA, T. L.; JESUS, C. D. F.; ROSSELL, C. E. V.; MACIEL FILHO, R. M.; BONOMI, A. Improving second generation ethanol production through optimization of first generation production process from sugarcane. Energy v. 43, p. 246 -252, 2012

DUARTE, L. C. et al. Effects of Aliphatic Acids, Furfural, and Phenolic Compounds on Debaryomyces hansenii CCMI 941. Applied Biochemistry and Biotechnology, v. 121-124, 2005.

FERREIRA, J. Produção de bioetanol utilizando cascas de banana, maracujá e coco verde por co-fermentação de Zymomonas mobilis e Pachysolen tannophilus. 2017. 117f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Alimentos) – Universidade Estadual Paulista, 2017.

FU, N.; PEIRIS, P. Co-fermentation of a mixture of glucose and xylose to ethanol by Zymomonas mobilis and Pachysolen tannophilus. World Journal of Microbiology and Biotechnology. v. 24, p. 1091-1097, 2008.

KO, J. K.; UM, Y.; WOO, H. M.; KIM, K. H.; LEE, S. M. Ethanol production from lignocellulosic hydrolysates using engineered Saccharomyces cerevisiae harboring xylose isomerase-based pathway. Bioresource Technology. v. 209, p. 290-296, 2016.

MUSSATTO, S.I.; ROBERTO, I.C. Avaliação de diferentes tipos de carvão ativo na destoxificação de hidrolisado de palha de arroz na produção de xilitol. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 24, n. 11, p. 94-100, 2004.

NELSON, N. A photometric adaptation of Somogy method for determination of glucose. The Journal of Biological Chemistry. v. 153, p. 375-380, 1944.

SOMOGYI, M. Notes on sugar determination. Journal of Biological Chemistry, v. 195, p. 19-22, 1952.

ZIKELI, F.; TERS, T.; FACKLER, K.; SREBOTNIK, E. LI, J. Wheat straw lignin fraction and characterization as lignin-carbohydrate complexes. Industrial Crops and Products. v. 85, p. 309-317, 2016.