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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.97.2015.tde-04082015-171714
Documento
Autor
Nome completo
Andres Felipe Hernandez Perez
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Lorena, 2015
Orientador
Banca examinadora
Felipe, Maria das Graças de Almeida (Presidente)
Pagnocca, Fernando Carlos
Roberto, Inês Conceição
Título em português
Aproveitamento da fração hemicelulósica da plaha de cana-de-açúcar como matéria-prima na produção biotecnológica de xilitol: Estudo da atuação de co-substratos e permeabilizante de membrana celular
Palavras-chave em português
Co-substratos
Disponibilidade inicial de oxigênio
Hidrolisado hemicelulósico
Palha de cana-de-açúcar
Permeabilizante de membrana celular
Suplementação nutricional
Xilitol
Resumo em português
A palha de cana-de-açúcar está se tornando uma biomassa lignocelulósica disponível a partir da progressiva introdução da colheita mecanizada da cana-deaçúcar no Brasil, situação que possibilita a utilização de uma parte desta como matéria-prima em processos de conversão termoquímica ou bioquímica. Além de pesquisas de uso da palha de cana para produção de bioenergia, a conversão bioquímica dos açúcares constituintes de sua fração hemicelulósica, particularmente a xilose, é uma rota potencial para seu aproveitamento na obtenção de produtos de alto valor agregado, como o xilitol. A importância deste poliol se deve às suas peculiares propriedades que permitem sua aplicação nas indústrias alimentícia, odontológica e farmacêutica, aliado ao fato do continuo e rápido crescimento de seu mercado mundial. No presente trabalho foi estudado o aproveitamento da fração hemicelulósica da palha de cana como matéria-prima na produção biotecnológica de xilitol, visando a valorização e incorporação desta biomassa em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar. O elevado conteúdo de hemicelulose da palha de cana (27%), similar ao encontrado em outras biomassas lignocelulósicas avaliadas para produção de xilitol, e a maior proporção de xilose no hidrolisado hemicelulósico (71%) em relação aos outros açúcares constituintes, tornam esta biomassa potencial matéria-prima para este bioprocesso. A utilização do hidrolisado hemicelulósico de palha de cana concentrado e destoxificado como meio de fermentação para a bioconversão de xilose em xilitol por Candida guilliermondii FTI 20037 foi avaliada em diferentes fases da pesquisa. Na primeira, foi estudada a necessidade de suplementação nutricional do hidrolisado e a disponibilidade inicial de oxigênio, sendo realizadas fermentações em batelada em frascos Erlenmeyer de 125mL com 25mL ou 50mL de meio, 30oC, 200rpm e 48h. Foi demonstrado que a suplementação do hidrolisado com extrato de farelo de arroz, (NH4)2SO4 e CaCl2·2H2O resultou em aumento do valor da produtividade volumétrica de xilitol, enquanto que a menor disponibilidade inicial de oxigênio favoreceu a eficiência de bioconversão. A avaliação do efeito dos co-substratos maltose, sacarose, celobiose e glicerol sobre este bioprocesso revelou que o maior favorecimento foi obtido com sacarose (10gL-1), já que resultou nos máximos valores de concentração final de xilitol (41,36 ± 1,69 gL-1), eficiência de bioconversão (75,70 ± 0,73%) e produtividade volumétrica (0,61 ± 0,02 gL-1h-1), correspondentes a incrementos de 9,04%, 5,01% e 6,56%, respectivamente, em relação à condição ausente de cosubstratos. A adição ao hidrolisado hemicelulósico de palha de cana de Dimetilsulfóxido (DMSO), composto com capacidade de permeabilizante de membrana celular, não resultou no incremento da produção de xilitol, a qual, pelo contrário, foi reduzida em razão da diminuição no consumo de xilose e crescimento celular de C. guilliermondii FTI 20037. Os resultados obtidos no presente estudo indicam que a produção biotecnológica de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de palha de cana suplementado com sacarose pode ser considerada uma rota de conversão bioquímica promissora para a valorização e integração desta biomassa em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar.
Título em inglês
Utilization of sugarcane straw hemicellulosic fraction as feedstock for biotechnological production of xylitol: Study of effect of cosubstrates and cell membrane permeabilizer
Palavras-chave em inglês
Cell membrane permeabilizer
Co-substrates
Hemicellulosic hydrolysate
Initial oxygen availability
Nutritional supplementation
Sugarcane straw
Xylitol
Resumo em inglês
Sugarcane straw is becoming an available lignocellulosic biomass from the progressive introduction of non-burning harvest in Brazil, situation that enables the utilization of a portion of this material as feedstock in thermochemical and biochemical conversion processes. Besides the use of sugarcane straw for bioenergy production, biochemical conversion of the constituent sugars of its hemicellulosic fraction, particularly xylose, is a potential route for the use of this biomass to obtain high added value products, such as xylitol. The importance of this product is due to its particular properties that enable its application in food, dental and pharmaceutical industries, coupled with the fact of the continuous and rapid growth of its market. In the present work it was studied the utilization of sugarcane straw hemicellulosic fraction as feedstock for biotechnological production of xylitol, aiming at the valorization and integration of this biomass in a sugarcane biorefinery. The high hemicellulosic content of sugarcane straw (27%), similar to that found in other lignocellulosic biomasses evaluated for xylitol production, and the higher proportion of xylose in the hemicellulosic hydrolysate (71%) in relation to the other constituent sugars, make this biomass potential feedstock for this bioprocess. The utilization of the concentrated and detoxified sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate as fermentation medium for xylose-toxylitol bioconversion by Candida guilliermondii FTI 20037 was evaluated in different stages. In the first one, it was studied the necessity of nutritional supplementation of the hydrolysate and initial oxygen availability, being carried out batch fermentations in 125mL Erlenmeyer flasks with 25mL or 50mL of medium, 30oC, 200rpm and 48h. It was demonstrated that the supplementation of the hydrolysate with rice bran extract, (NH4)2SO4 and CaCl2·2H2O resulted on the increment of the value of xylitol volumetric productivity, whereas the higher initial oxygen availability favored the bioconversion efficiency. The evaluation of the effect of the co-substrates maltose, sucrose, cellobiose and glycerol on this bioprocess revealed that the higher improvement was obtained with sucrose (10gL-1), since it resulted in the maximum values of final concentration of xylitol (41.36 ± 1.69 gL-1), bioconversion efficiency (75.70 ± 0.73%) and volumetric productivity (0.61 ± 0.02 gL-1h-1), corresponding to increments of 9.04%, 5.01% and 6.56%, respectively, in relation to the condition absent of co-substrates. The addition to the sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate of Dimethyl-sulfoxide, a cell membrane permeabilizer, did not resulted on the increasing of the xylitol production, which, in fact, was reduced due to the diminution on xylose consumption and cell growth of C. guilliermondii FTI 20037. The results obtained in this study indicate that biotechnological production of xylitol from sugarcane straw hemicellulosic hydrolysate supplemented with sucrose can be considered a promissory biochemical conversion route for valorization and integration of this biomass in a sugarcane biorefinery.
 
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BID15003_C.pdf (22.24 Mbytes)
Data de Publicação
2015-08-05
 
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