Orientador: Telma Teixeira Franco

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A produção de comppostos químicos a partir de resíduos lignocelulósicos tem atraído bastante a atenção da sociedade atual. A busca por alternativas produtivas não dependentes de combustíveis fósseis, o uso de fontes renováveis e a sustentabilidade são os principais motivos. Neste trabalho, a...

Resumo: A produção de comppostos químicos a partir de resíduos lignocelulósicos tem atraído bastante a atenção da sociedade atual. A busca por alternativas produtivas não dependentes de combustíveis fósseis, o uso de fontes renováveis e a sustentabilidade são os principais motivos. Neste trabalho, a produção do ácido lático por fermentação dos açúcares obtidos dos bagaço da cana de açúcar, essencialmente glicose e xilose, foi estudada. Partindo de várias cepas de bactérias ácido láticas e utilizando-se metodologia qualitativa, 26 linhagens foram selecionadas para testes em frascos agitados e em biorreator. Os melhores resultados foram obtidos em fermentações utilizando-se B. coagulans 162, alcançando rendimento de 0,95 e produtividade volumétrica de 2,13 g L-1 h-1 em regime de batelada simples e meio de cultivo contendo glicose, xilose e arabinose. Em alimentação contínua, o meio de cultivo alcançou 105 g de ácido lático por litro de meio fermentado. Os efeitos dos tratamentos de hidrólise térmica e explosão a vapor do bagaço da cana de açúcar também foram estudados. Verificou-se a formação de ácido acético, furfural e hidroximetilfurfural (HMF) e liberação dos açúcares glicose, xilose e arabinose. As fibras do bagaço foram fotografadas utilizando-se microscopia eletrônica de varredura (MEV), antes e após tratamentos térmicos, para observação das modificações no arranjo da estrutura original. O bagaço in natura, contendo aproximadamente 43% de celulose, 28% de hemicelulose e 14% de lignina, foi submetido a tratamento hidrotérmico (220°C/5min) seguido de hidrólise pelas enzimas Celulase, Celobiase e Xilanase. O hidrolisado obtido pela degradação das frações celulósica e hemicelulósica continha basicamente glicose e xilose, e foi utilizado como fonte de carbono no meio de cultivo. Na fermentação foi obtido rendimento de 0,96 e produtividade volumétrica igual a 4,11 g L-1. Hidrolisado obtido do bagaço explodido a vapor também foi testado. Constituído basicamente pela fração hemicelulósica, o hidrolisado continha essencialmente xilose. Nesta fermentação alcançou-se rendimento de 0,90 e produtividade volumétrica igual a 0,225 g L-1 h-1. Posteriores estudos mostraram que a adaptação da cepa a meios de cultivo contendo apenas pentoses (xilose e arabinose) reduzem a fase lag tendo como consequência o aumento da produtividade. Estudos de inibição em meio sintético permitiram avaliar o efeito que cada composto causou individualmente na multiplicação celular e na produção do ácido lático. O ácido acético foi o componente que mostrou maior efeito inibitório. Dentro da faixa estudada, furfural e HMF provocaram comportamentos semelhantes, tornando-se inibitórios em concentrações acima de 1,5 g L-1 na produção de biomassa, mas não na produção de ácido lático. Inibição por xilose também foi investigada. Rendimento máximo igual a 0,95 foi obtido quando 140 g L-1 de açúcar inicial foram utilizados. Concentrações acima de 150 g L-1 mostram-se inibitórias ao crescimento microbiano. Foi possível observar que o bagaço da cana de açúcar é um substrato promissor para produção biotecnológica de ácido lático, um produto químico com alto valor agregado e com versatilidade em aplicações. O microrganismo selecionado, a bactéria Bacillus coagulans 162, mostrou-se uma cepa robusta, com relativa tolerância a inibidores e capaz de converter homofermentativamente as pentoses presentes no meio de cultura, característica desejável do ponto de vista produtivo e econômico

Abstract: Production of chemical compounds from lignocellulose residues has attracted attention of actual world society. The search for productive alternatives fossil fuels non-dependent, the use of renewable resources and sustainability are the main reasons. In this work, lactic acid production by...

Abstract: Production of chemical compounds from lignocellulose residues has attracted attention of actual world society. The search for productive alternatives fossil fuels non-dependent, the use of renewable resources and sustainability are the main reasons. In this work, lactic acid production by fermentation of sugars obtained from sugarcane bagasse, essentially glucose and xylose, was studied. From several strains of lactic acid bactéria and using a qualitative methodology, 26 microorganisms were selected for shaking flasks and bioreactor tests. The best results were obtained in fermentations using B. coagulans 162, reaching yield of 0,95 and volumetric productivity of 2,13 g L-1 h-1 in simple batch and medium containing glucose, xylose and arabinose. In continuous feeding, the cultivation medium reached 105 g of lactic acid per liter. The treatment effects of hydrotermal hydrolysis and steam explosion of sugarcane bagasse were also studied. It was verified acetic acid, furfural and hydroxymethylfurfural (HMF) formation and glucose, xylose and arabinose release. Bagasse fibers were photographed using Scanning Electron Microscopy (SEM), before and after termal treatment for visualization of modification in the arrangement of the original structure. Bagasse in natura, containing approximately 43% of cellulose, 28% of hemicellulose and 14% of lignina, was submitted to hydroythermal treatment (220°C/5min) followed by hydrolysis with the enzymes Cellulase, Cellobiase and Xylanase. The obtained hydrolysate of cellulose and hemicellulose fractions contained mainly glucose and xylose, and was used as Catbon source in the cultivation medium. In the fermentation was obtained yield of 0,96 and volumetric productivity equal to 4,11 g L-1. The hydrolysate obtained from steam exploded bagasse was tested. Constituted basically by hemicellulose fraction, the hydrolysate contained mainly xylose. It was reached yield of 0,90 and volumetric productivity equal to 0,225 g L-1 h-1. Later studies have showed that strains adaptation in cultivation medium containing only pentose (xylose and arabinose) reduces the lag phase resulting in increase of productivity. Inhibition studies on synthetic medium allowed to evaluate the effect that each compound caused individually on cell replication and on lactic acid production. Acetic acid was the compound that showed the higher inhibitory effect. In the studied range, furfural and HMF showed similar behaviour becoming inhibitory in concentrations above 1,5 g L-1 on biomass production. The same effect was not observed on lactic acid production. Inhibition by xylose was also investigated. Maximum yield, equal to 0,95, was obtained when 140 g L-1 of initial sugar were used. Concentrations above 150 g L-1 showed to be inhibitory to the microbial growth. Sugarcane bagasse showed to be a promissor substrate to biotechnologic production of lactic acid, a chemical with high added value and versatile applications. The selected microorganism, the bacteria Bacillus coagulans 162, showed to be a robust strain, with relative tolerance against inhibitors and able to convert homofermentatively the pentose present in hemicellulose hydrolysate, desirable feature in productive and economic terms