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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.11.2016.tde-07062016-143219
Document
Author
Full name
Ana Paula Guarnieri Bassi
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2016
Supervisor
Committee
Antonini, Sandra Regina Ceccato (President)
Portugal, Cauré Barbosa
Bastos, Reinaldo Gaspar
Cruz, Sandra Helena da
Valsechi, Octavio Antonio
Title in Portuguese
Avaliação da contaminação conjunta de Dekkera bruxellensis e Lactobacillus fermentum sobre a fermentação alcoólica: efeito do substrato e formas de controle
Keywords in Portuguese
Contaminação
Controle
Crescimento
Etanol
Fermentação
Abstract in Portuguese
As contaminações por leveduras selvagens e por bactérias no processo de produção de etanol combustível no Brasil causam prejuízos ao rendimento fermentativo e aumento de custos pelo uso de biocidas. No entanto, poucos estudos tem focado no efeito das contaminações conjuntas de leveduras selvagens e bactérias e as possíveis interações entre os micro-organismos, especialmente em função dos diferentes substratos de fermentação e das formas de controle. Este trabalho teve por objetivos verificar o efeito do substrato (caldo de cana e melaço) sobre o desenvolvimento das contaminações pela levedura da espécie Dekkera bruxellensis e pela bactéria Lactobacillus fermentum, em co-culturas com Saccharomyces cerevisiae (linhagem industrial PE-2) e possíveis formas de controle do crescimento dos contaminantes (pelo uso de metabissulfito de potássio e adição de etanol ao tratamento ácido) sem afetar a levedura do processo. Os testes foram realizados em condições de crescimento (substrato com 4 °Brix, culturas agitadas) e fermentação com reciclo celular (substrato com 16 °Brix, culturas estáticas). Houve interação entre as leveduras e a bactéria quando crescidas em caldo de cana 4 °Brix. A levedura industrial não foi afetada pela presença dos micro-organismos contaminantes, no entanto, para D. bruxellensis a presença de L. fermentum interferiu positivamente no crescimento, com aumento no número de UFC, e consequentemente inibição do crescimento da bactéria. Em melaço, houve um estímulo ao crescimento de L. fermentum quando em co-cultura com S. cerevisiae. Houve influência das contaminações sobre os parâmetros avaliados no experimento (pH, açúcar redutor total, etanol, glicerol e crescimento das células) e a contaminação conjunta de L. fermentum e D. bruxellensis potencializou o efeito das contaminações pelos micro-organismos isoladamente, tanto em caldo quanto em melaço. A adição de 13% de etanol à solução de ácido sulfúrico pH 2,0 no tratamento celular resultou em uma diminuição significativa no número de UFC de D. bruxellensis (entre 90-99%). A levedura PE-2 foi pouco afetada pelo tratamento proposto. A bactéria L. fermentum teve seu crescimento afetado em todas as combinações testadas. Como os experimentos foram feitos em co-culturas, verificouse que pode haver influência de um micro-organismo sobre a viabilidade do outro, dependendo da reação ao tratamento ácido-etanol. O metabissulfito de potássio (MBP), no intervalo entre 200-400 mg/L, foi eficaz para controlar o crescimento de D. bruxellensis dependendo do meio de cultura e linhagem. Quando adicionado (250 mg/L) à solução ácida (pH 2,0) no tratamento celular, um efeito significativo foi observado nas culturas mistas, pois ocorreu a inativação do SO2 pela S. cerevisiae e uma provável proteção das células de D. bruxellensis, não sendo essa levedura prejudicada pelo MBP. A resposta fisiológica de S. cerevisiae na presença de MBP pode explicar a diminuição significativa na produção de etanol. Quando o MBP foi adicionado ao meio de fermentação, resultou no controle da D. bruxellensis mas não em sua morte, com efeito menos intensivo sobre a eficiência fermentativa. Em cocultura com a adição de MBP, a eficiência fermentativa foi significativamente menor do que na ausência de MBP.
Title in English
Evaluation of the simultaneous contamination by Dekkera bruxellensis and Lactobacillus fermentum on the alcoholic fermentation: effects of the substrate and forms of control
Keywords in English
Contamination
Control
Ethanol
Fermentation
Growth
Abstract in English
The contaminations by wild yeasts and bacteria are harmful to the fermentative process for fuel ethanol production in Brazil due to the decrease in ethanol yield and increase in the industrial costs by the use of biocides. However, a few studies have been focused in the effects of simultaneous contaminations of wild yeasts and bacteria and the possible interactions among the microorganisms, especially concerning different fermentation substrates and forms of growth control. This work aimed to verify the effect of the substrate (sugar cane juice and molasses) on the development of contaminations by Dekkera bruxellensis yeast and Lactobacillus fermentum bacteria, in co-cultures with Saccharomyces cerevisiae (industrial strain PE-2) and possible forms of growth control of the contaminants (using potassium metabisulphite and addition of ethanol to the acid treatment) without affecting the starter yeast. Tests were carried out in growing conditions (substrate with 4 °Brix, shaken cultures) and cell-recycled fermentation (substrate with 16 °Brix, static cultures). There was interaction among the yeasts and the bacteria when growing in sugarcane juice 4 °Brix. The industrial yeast strain was not affected by the presence of the contaminant microorganisms, however, for D. bruxellensis, the presence of L. fermentum influenced positively the growth, increasing the number of CFU and consequently inhibiting the bacterial growth. In molasses, there was an increase in the growth of L. fermentum when in co-culture with S. cerevisiae. The contaminations influenced the fermentative parameters (pH, total reducing sugars, ethanol, glycerol and cell growth) and the simultaneous contamination by L. fermentum and D. bruxellensis potentiated the effect of the contaminations isolately, both in sugarcane juice as in molasses. The combined effect of pH 2.0 + 13% ethanol in the cell treatment resulted in a significant decrease (90-99%) in the CFU number of D. bruxellensis. The industrial yeast PE-2 was a little affected by the treatment. The growth of the bacteria L. fermentum was affected in all the combinations tested. As the experiments were performed with co-cultures, an influence of a microorganism over the viability of another was observed, depending of the reaction to the treatment. The potassium metabisulphite (PMB), in the range of 200-400 mg/L, was effective to control the growth of D. bruxellensis depending on the culture medium and strain. When added (250 mg/L) to the acidic solution (pH 2.0), a significant effect was observed in mixed cultures, because the inactivation of SO2 by S. cerevisiae most likely protected D. bruxellensis from being damaged by PMB. The physiological response of S. cerevisiae to the presence of PMB may explain the significant decrease in alcohol production. When added to the fermentation medium, PMB resulted in the control but not the death of D. bruxellensis, with less intensive effect on the fermentative efficiency. In co-culture with the addition of PMB, the fermentative efficiency was significantly lower than in the absence of PMB.
 
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Publishing Date
2016-06-23
 
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