Immobilization of Spathaspora passalidarum cells in sugarcane bagasse for second-generation ethanol production

Abstract

Um dos principais materiais lignocelulósicos brasileiros, o bagaço de cana-de-açúcar, tem um grande potencial energético. O bagaço é composto por três macromoléculas principais: celulose, hemicelulose e lignina. O desenvolvimento de tecnologias para utilizar os carboidratos obtidos a partir da hidrólise de celulose (glicose) e hemicelulose (xilose, arabinose e glicose) para a produção de etanol de segunda geração (E2G) é promissor e muitos grupos de pesquisa estudam o desenvolvimento deste processo . O pré-tratamento utilizando ácido sulfúrico diluído, por exemplo, gera o hidrolisado hemicelulósico, fração rica em xilose, porém, gera também compostos inibidores ao metabolismo dos microrganismos. Dentre os principais inibidores presentes no hidrolisado hemicelulósico estão os ácidos orgânicos e os compostos furânicos e fenólicos. A imobilização das células é uma estratégia consolidada para a proteção dos microrganismos frente aos inibidores, além de facilitar a reutilização dos biocatalisadores em fermentações sequenciais ou em processos contínuos. Este trabalho estudou a imobilização de Spathaspora passalidarum em bagaço de cana-de-açúcar como suporte. Diferentes tratamentos foram testados para a escolha do suporte: pré-tratamento alcalino, pré-tratamento com ácido diluído e bagaço de cana-de-açúcar sem nenhum tratamento. Após, foram realizados testes para o melhoramento do processo de imobilização e das variações de concentração de células e tempo foram estudados. Bagaço de cana-de-açúcar após pré-tratamento ácido foi o que proporcionou maior adesão de células ao suporte e aumentos no tempo de processo e na concentração celular no inóculo melhoraram a razão de imobilização no suporte de 60,0 para 77,6 mg /g. Além disso, foram realizadas fermentações com as células imobilizadas em bagaço de cana-de-açúcar utilizando hidrolisado hemicelulósico contendo inibidores como fonte de carbono, a fim de verificar o desempenho das células protegidas pelo suporte em comparação com células livres. As células imobilizadas em bagaço de cana-de-açúcar apresentam melhor desempenho que as células livres, melhorando as interrupções cinéticas de fermentação, a exemplo do fator de conversão de substrato em produto (YP/S) de 0,349 g/g para imobilização em bagaço de açúcar cana-de-açúcar e 0,274 g/g para células livres. Também foram realizadas fermentações contínuas com as células imobilizadas em bagaço de cana-de-açúcar e em esferas de alginato de cálcio, porém mais estudos são necessários para o desenvolvimento de um processo contínuo de produção de etanol de segunda geração com S.passalidarum imobilizado, uma vez que não foi possível fermentar de forma eficiente o hidrolisado hemicelulósico em modo contínuo com as células imobilizadas nos suportes testados.

Abstract: One of the main Brazilian lignocellulosic materials, sugarcane bagasse, has a great energy potential. Bagasse is composed of three main macromolecules: cellulose, hemicellulose and lignin. The development of technologies to use carbohydrates obtained from the hydrolysis of cellulose (glucose) and hemicellulose (xylose, arabinose and glucose) for the production of second generation (2G) ethanol is promising and many research groups are studying the development of this process. Pre-treatment using diluted sulfuric acid, for example, in addition to generating the hemicellulose hydrolysate, a fraction rich in xylose, generates compounds that inhibit the metabolism of microorganisms. Among the main inhibitors present in the hemicellulosic hydrolysate are organic acids and furan and phenolic compounds. Cell immobilization is a consolidated strategy for the protection of microorganisms against inhibitors, in addition to facilitating the reuse of biocatalysts in sequential fermentations or in continuous processes. This work studied the immobilization Spathaspora passalidarum on sugarcane bagasse as a support. Different treatments were tested for the choice of support: alkaline pre-treatment, pre-treatment with diluted acid and sugarcane bagasse without any treatment. Afterwards, tests were carried out to improve the immobilization process and the variables cell concentration and time were studied. Sugarcane bagasse after acid pretreatment was what provided greater cell adhesion to the support and increases in process time and cell concentration in the inoculum improved the immobilization rate on the support from 60.0 to 77.6 mg/g. In addition, fermentations were carried out with cells immobilized on sugarcane bagasse using hemicellulosic hydrolysate containing inhibitors as a carbon source, in order to verify the performance of cells protected by the support compared to free cells. Cells immobilized in sugarcane bagasse resulted in better performance than free cells, improving the kinetic parameters of fermentation, such as the substrate-to-product conversion factor (YP/S) of 0.349 g/g for immobilization in sugarcane bagasse and 0.274 g/g for free cells. Continuous fermentations were also carried out with cells immobilized in sugarcane bagasse and in calcium alginate spheres, but more studies are needed to develop a continuous process for the production of second-generation ethanol with immobilized S.passalidarum, since it was not possible to efficiently ferment the hemicellulosic hydrolysate in continuous mode with the cells immobilized on the tested supports.