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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2022.tde-25112022-090452
Document
Auteur
Nom complet
Mariana Mourani Buzelli
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2022
Directeur
Jury
Basso, Thiago Olitta (Président)
Antonini, Sandra Regina Ceccato
Vieira, Paula Bruzadelle
Titre en portugais
Influência da contaminação bacteriana na fermentação alcoólica de um mosto misto composto por hidrolisado de milho e xarope de cana-de-açúcar para a produção de etanol combustível.
Mots-clés en portugais
Bactérias láticas
Etanol
Fermentação
Resumé en portugais
O Brasil é o segundo maior produtor de etanol no mundo, e suas condições climáticas favorecem tanto o cultivo da cana-de-açúcar, principal fonte utilizada como matéria-prima do combustível no país; quanto do milho, possibilitando que ambas sejam empregadas para a produção de etanol combustível. No âmbito industrial, grandes volumes de substratos são processados diariamente nas usinas produtoras de etanol em condições não-assépticas, e por isso, a presença de bactérias são bastante comuns, em especial as chamadas ácido láticas (LAB), uma vez que resistem a um pH mais baixo e a elevados títulos de etanol. Neste contexto, o presente trabalho consistiu na avaliação da influência da contaminação bacteriana em um processo fermentativo para produção de etanol combustível com emprego de um mosto misto, composto por hidrolisado de milho e xarope de cana-de- açúcar. Para tanto, foram realizados ensaios cinéticos preliminares de cultivo simultâneo apenas de bactérias ácido láticas, de metabolismo homo-e heterofermentativos: Lactiplantibacillus plantarum (L. plantarum) e Limosilactobacillus fermentum (L. fermentum) respectivamente, nos meios MRS, hidrolisado de milho e xarope de cana-de-açúcar, separadamente. Os metabólitos produzidos ao longo dos ensaios mostraram que nos meios industriais, as bactérias não apresentaram bom desenvolvimento, diferentemente do que se deu no meio de cultivo padrão MRS. Além disso, foi possível verificar que a cepa heterofermentativa consumiu maior quantidade da fonte de carbono (glicose) para a produção de seus metabólitos nos meios de cultivo MRS e xarope de cana-de-açúcar. No entanto, o cultivo em hidrolisado de milho apontou que o consumo da glicose foi similar para ambas as cepas. Posteriormente, para avaliar a influência das LAB na fermentação do mosto misto, realizou-se ensaios em frascos agitados em cocultivo da levedura industrial Ethanol Red com bactérias dos dois tipos metabólicos (homo- e heterofermentativos). Dessa forma, analisou-se o impacto delas inoculadas separadamente (apenas um tipo metabólico) e conjuntamente (ambos os tipos metabólicos, em igual proporção) com concentração inicial de 7 108 UFC/mL e mediante cada condição avaliada foi realizado paralelamente um cultivo controle (inoculado apenas com a levedura). Os tratamentos e suas respectivas reduções percentuais em etanol entre os cultivos controle e os cocultivos foram: Levedura + Hetero (L. fermentum) 10,6%, Levedura + Homo (L. plantarum) 9,9%, Levedura + Hetero + Homo 6,0%. Ademais, foi realizado outro tratamento no qual foram cocultivados os dois tipos metabólicos (Levedura + Hetero + Homo), contudo em uma concentração inicial menor de 5 107 UFC/mL. Neste último tratamento, a redução percentual foi de 3,9%. Observou-se que ao serem cultivadas simultaneamente com a concentração inicial de 7 108 UFC/mL, o prejuízo conferido pelas cepas bacterianas à fermentação foi menor do que quando comparado ao cultivo individual das linhagens, com o mesmo índice de contaminação, e neste último caso as linhagens foram igualmente deletérias ao processo. Nos tratamentos em que os dois tipos bacterianos metabólicos coexistiam, tanto a contaminação com índice de 107 UFC/mL, quanto o tratamento contendo 108 UFC/mL foram prejudiciais para as concentrações finais de etanol. Constatou-se também maior produção dos ácidos orgânicos e redução na viabilidade da levedura, bem como do pH nos meios em que as LAB estiveram presentes, quando comparado ao cultivo controle, principalmente quando contaminado apenas pelo L. fermentum (hetero). Por meio do consumo dos açúcares, observou-se que nos cultivos controle não houve a assimilação da maltose pela levedura, diferentemente do que ocorreu nos cocultivos com a L. fermentum (hetero), nos quais notou-se o consumo parcial do açúcar. Diante disso, a avaliação do impacto da contaminação pelas LAB se faz muito importante, uma vez que competem com as leveduras por nutrientes e provocam desvios metabólicos que trazem consequências significativas para os rendimentos do processo.
Titre en anglais
Influence of bacterial contamination on alcoholic fermentation of a mixed must composed of corn hydrolysate and sugarcane syrup for the production of ethanol fuel.
Mots-clés en anglais
Biofuel
Corn ethanol
Fermentation processes
Lactobacillus
Mixed must
Sugarcane ethanol
Resumé en anglais
Brazil is the second largest producer of ethanol in the world, and its climatic conditions favor the cultivation of sugarcane, the main source used as a raw material for fuel in the country; and corn, allowing both to be used for the production of fuel ethanol. In the industrial scope, large volumes of substrates are processed daily in ethanol plants under non-aseptic conditions and therefore the presence of bacteria is quite common, especially the so-called lactic acid (LAB), since they resist to a low pH and high titers of ethanol. In this context, the present work consisted of evaluating the influence of bacterial contamination in a fermentation process for the production of fuel ethanol using a mixed must, composed of corn hydrolyzate and sugarcane syrup. Therefore, preliminary kinetic assays of simultaneous cultivation of only lactic acid bacteria, with homo- and heterofermentative metabolism: Lactiplantibacillus plantarum (L. plantarum) and Limosilactobacillus fermentum (L. fermentum) were carried out, respectively, in MRS, corn hydrolyzate and sugarcane syrup, separately. The metabolites produced during the tests showed that in industrial media the bacteria did not show good development, unlike what happened in the standard MRS culture medium. In addition, it was possible to verify that the heterofermentative strain consumed a greater amount of the carbon source (glucose) for the production of its metabolites in the culture media MRS and sugarcane syrup. However, cultivation in corn hydrolyzate showed that glucose consumption was similar for both strains. Subsequently, to evaluate the influence of LAB on the fermentation of the mixed must, tests were carried out in shake flasks in co-cultivation of the industrial yeast Ethanol Red in the presence of LAB of both metabolic types (homo- and heterofermentative). Thus, the impact of inoculated separately (only one metabolic type) and together (both metabolic types, in equal proportion) was analyzed with an initial concentration of 7 108 CFU/mL and, under each condition evaluated, a control culture was carried out in parallel (inoculated with yeast only). The treatments and their respective percentage reductions in ethanol between the control and co-cultures were: Yeast + Hetero (L. fermentum) 10.6%, Yeast + Homo (L. plantarum) 9.9%, Yeast + Hetero + Homo 6.0%. In addition, another treatment was performed in which the two metabolic types were co-cultured (Yeast + Hetero + Homo), however at an initial concentration lower than 5 107 CFU/mL. In this last treatment, the percentage reduction was 3.9%. It was observed that when cultivated simultaneously with the initial concentration of 7 108 CFU/mL, the damage conferred by bacterial strains to fermentation was lower than when compared to the individual cultivation of the lineages, with the same contamination, and in the latter case the strains were equally deleterious to the process. In the treatments in which the two metabolic bacterial types coexisted, both the contamination with an index of 107 CFU/mL and the treatment containing 108 CFU/mL were harmful to the final concentrations of ethanol. There was also a higher production of organic acids and a reduction in yeast viability, as well as in pH in the media where LAB were present, when compared to the control culture, especially when contaminated only by L. fermentum (hetero). Through the consumption of sugars, it was observed that in the control cultures there was no assimilation of maltose by the yeast, unlike what occurred in the co-cultures with L. fermentum (hetero), in which partial consumption of sugar was observed. Therefore, the assessment of the impact of contamination by LAB is very important, since they compete with yeasts for nutrients and cause metabolic deviations that have significant consequences for the yields of the process.
 
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Date de Publication
2022-11-30
 
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