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Teses de Doutorado Defendidas: 2012

Produção de Etanol de 2ª Geração por Zymomonas mobilis naturalmente ocorrente e Recombinante, empregando diferentes Estratégias de Processamento da Biomassa Lignocelulósica.

Autora: Danielle da Silveira dos Santos.
Orientador: Nei Pereira Jr.

Resumo

O desenvolvimento de tecnologias para produção de bioetanol a partir de materiais lignocelulósicos mostra-se promissor devido às várias vantagens da utilização de biomassa residual para produção de etanol de segunda geração. Dessa forma, o atual cenário dos biocombustíveis pode ser contemplado com mais uma alternativa tecnológica, pois o bagaço de cana-de-açúcar, principal material lignocelulósico em países tropicais, possui enorme potencial energético.

A bactéria Zymomonas mobilis mostrou-se extremamente atraente para a produção de etanol combustível de segunda geração a partir da glicose proveniente da fração celulósica, em virtude de sua elevada capacidade de absorção, resultando em altos valores de produtividade. No entanto, as linhagens nativas mostraram-se incapazes de metabolizar outro açúcar importante encontrado nas biomassas de composição lignocelulósica, a xilose oriunda da fração hemicelulósica.

Visando avançar neste tema e tornar a produção de etanol de segunda geração mais eficiente, recomendou-se a incorporação de técnicas da Biologia Molecular, a fim de dotar as linhagens utilizadas no presente estudo capazes de fermentar também a xilose. Com isto, motivados com a procura de novas alternativas energéticas e industriais, nas quais diferentes derivados de petróleo sejam substituídos, avançar-se-ia para a concepção SSCF.

Desta forma, o objetivo deste trabalho consiste em avaliar a produção de etanol a partir do bagaço de cana por Zymomonas mobilis, utilizando-se a estratégia de processo SSF (hidrólise enzimática e fermentação simultâneas) e SSCF (hidrólise enzimática e co-fermentação simultâneas) a partir da linhagem nativa e recombinante, respectivamente. Inicialmente, para se conseguir o fácil acesso das enzimas do complexo celulásico até a celulose, o bagaço passou por um pré-tratamento ácido para extração dos açúcares da fração hemicelulósica, resultando em um resíduo sólido denominado celulignina. Em seguida, foi realizado um pré-tratamento alcalino, que promove sua deslignificação parcial.

Inicialmente, a celulose presente na celulignina parcialmente deslignificada foi pré-hidrolisada com enzimas de um complexo enzimático comercial denominado celulases, permitindo a conversão da celulose a açúcares fermentáveis, nas temperaturas de 50°C, durante 12 horas. No que tange à transformação genética aplicada em Z. mobilis, o plasmídio pZMO1 (1565 kb) foi sintetizado quimicamente, contendo os genes relacionados à origem de replicação de E. coli e de Z. mobilis, os genes que codificam as enzimas XI, XK, TAL e TKL, bem como a marca de seleção tetraciclina.

Posteriormente a essa etapa, a adaptação metabólica foi empregada, seguida de planejamentos experimentais de superfície de resposta; os quais avaliaram a adição de glicose e xilose no meio de cultivo em diferentes concentrações, bem como de hidrolisado hemicelulósico em diferentes proporções.

As condições ótimas para o processo SSF utilizando-se a bactéria Zymomonas mobilis nativa, empregando o bagaço de cana pré-tratado e o resíduo da indústria de celulose, respectivamente, foram: teor de sólido, 30% e 20%; carga enzimática, 25 FPU/g e 17,5 FPU/g; concentração celular, 4 g/L e 1,59% (v/v); atingindo a concentração final de etanol de 60 g/L e 58 g/L; avaliando a adição dos nutrientes complementares ao processo SSF: extrato de levedura, 12,5 e 6,25 g/L; KH2PO4, 2,5 e 1,25 g/L; (NH4)2SO4, 1,5 e 2,25 g/L e MgSO4, 1,5 e 2,25 g/L.

Os melhores resultados alcançados foram de 65 g/L e 54 g/L de etanol. Foi alcançado 25 g/L de etanol, constatando-se que cerca de 50% desta pentose foi convertida ao produto, a partir do processo SSCF pela linhagem Zymomonas mobilis CP4 recombinante, empregando 30% de sólidos, 20,5% de hidrolisado hemicelulósico, 10 mg/L de tetraciclina, carga enzimática de 25 FPU/g de celulignina e 10% (v/v) de inoculo inicial. Os resultados alcançados com o presente trabalho foram satisfatórios e apontam para o desenvolvimento de novas pesquisas.