Isolamento, seleção e aplicação de leveduras não convencionais para produção de bioetanol a partir de coprodutos gerados pelos laticínios
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Data
2017-03-22
Autores
Murari, Cleidiane Samara [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
The development of the technology of fermentation processes associated to the environmental concern, due to industrial activities, has motivated the advancement of new alternative energy generation strategies. The cheese whey and permeate whey are co-products generated from dairy industrial and represent nutrient rich substrates, with carbon source for ethanol production. The aim of this study was isolate and select yeasts from cheese whey for the development of a ethanol production process, in comparison with a standard yeast, Kluyveromyces marxianus, CCT 4086. For the isolation, it was used cheese whey obtained from the production of gorgonzola cheese, fresh cheese and curd. After isolation, the yeasts that presented higher growth, were submitted to fermentation in cheese whey and whey permeate, in aerobic (100 rpm), microaerobic (50 rpm) and anaerobic conditions, at 30ºC for 24 hours. After this stage, the yeast, the cultive condition and the substrate that presented better results, were submitted to fermentation in different supplementation conditions (with salts and yeast extract). Subsequently, it was carried out the improvement of the cultive conditions, varying pH, lactose concentration, and temperature, followed by the increase of fermentation scale (1 L, 6 L, 21 L, and 36 L). Analysis of ethanol, biomass, lactose, protein, and chemical oxygen demand (COD), were carried out. Then, it was isolated and selected two yeasts able to grow and consume the substrate of cheese whey. One yeast was isolated from the gorgonzola cheese whey (LSQG), and the another, from the curd (LCOA). Among the yeasts studied, the LSQG yeast, identified as K. marxianus (URM 7404) presented better results for ethanol production and cellular growth in cheese whey, in anaerobic and aerobic conditions. This yeast produced initially (Pmax) 8.08 g.L.h-1 of ethanol and a productivity of (QX) 0.81 g. L-1 .h-1 in 10 hours, with ethanolic yield () of 76%. The LCOA yeast obtained (Pmax) of 1.56 g. L-1 , (QX) of 0.09 g. L-1 .h-1 and () of 9.82%, in 14 hours. Finally, the K. marxianus CCT 4086 presented (Pmax) of 7.54 g. L-1 in 12 hours, (QX) of 0.63 g. L-1 .h-1 and () of 57.71%, all in cheese whey. The production of biomass was also higher by K. marxianus URM 7404, even in aerobic condition, producing 8.88 g. L-1 in 12 hours, with productivity 0.94 g. L-1 .h-1 , while the LCOA yeast had maximum production of 6.40 g. L-1 and maximum productivity of 0.62 g. L-1 .h-1 . The standard yeast obtained maximum biomass production of 8.24 g. L-1 in 10 hours, with productivity 0.82 g. L-1 .h-1 . After adaptation of the yeast K. marxianus URM 7404 in the substrate, it was tested anaerobic condition and cheese whey supplemented with yeast extract. In this cultive condition, there was an increase in ethanol of 60,77%, reaching (Pmax) of 12 20.60 g. L-1 ethanol, (QX) of 2.58 g. L-1 .h-1 e () of 95.70%, in 8 hours. After the improvement of the conditions, the (Pmax) of ethanol reached 27.61 g. L-1 with () of 98.23% in 12 hours, using lactose concentration of 60 g.L -1 , at 33ºC and pH 5. In the increase of the fermentation scale up, using the cultive conditions obtained after improvement, the results of ethanol production were close between them in 1, 6, 21, and 36 L with (Pmax) of 28 g. L-1 , 27.51 g. L-1 and 26.90 g. L-1 (in 12 hours) and 25.81 g. L-1 (in 16 hours) and () of 97.84%, 96.70%, 96.30%, and 95.80%, and lactose consumption of 95%, 94.7%, 94.5%, and 93.3%, respectively. Finally, according to the efficiency in reducing COD it was 85.18% for 1L, 86.54% for 6L, 80.90% for 21L for 78.94% for 36L, at the end of 18 hours of fermentation. Representing a promising alternative for valorization of coproducts generated by dairy and an effective alternative to obtain a renewable source of biofuel.
O desenvolvimento da tecnologia de processos fermentativos associado à preocupação ambiental, decorrente das atividades industriais, tem incentivado o avanço de novas estratégias de geração de energia alternativa. O soro de queijo e o permeado de soro são coprodutos gerados por laticínios e constituem substratos ricos em nutrientes, com fonte de carbono e potencial para produção de etanol. O presente estudo teve por objetivo isolar e selecionar leveduras presentes no soro de queijo, para o desenvolvimento de um processo de produção de etanol, em comparação com uma levedura padrão Kluyveromyces marxianus CCT 4086. Foi utilizado para o isolamento o soro obtido após a produção dos queijos tipo gorgonzola e minas frescal, além da coalhada. Após o isolamento, as leveduras que apresentaram maiores crescimento em meio lactose, foram submetidas à fermentação do soro de queijo e permeado de soro em condições aeróbias (100 rpm), microaeróbias (50 rpm) e anaerobiose a 30ºC por 24 horas. Para que o processo fosse mais eficaz, após essa etapa, a levedura, a condição de cultivo e o substrato que apresentaram resultados de maior relevância para pesquisa foram submetidos à fermentação em diferentes tipos de suplementações do meio (com sais e extrato de levedura). Posteriormente foi realizado o melhoramento das condições de cultivo, variando pH, concentração da lactose e temperatura, seguida da ampliação de escala fermentativa (1 L, 6 L, 21 L e 36 L). Foram realizadas análises de etanol, biomassa, lactose, proteína e DQO. Foi possível isolar e selecionar duas leveduras aptas em desenvolverem-se e consumir o substrato de soro de queijo, sendo uma do soro gorgonzola (LSQG) e outra da coalhada (LCOA). Assim, das três leveduras estudadas (as isoladas e a padrão), a levedura LSQG, identificada como K. marxianus URM 7404, apresentou resultados mais satisfatórios para a produção de etanol e desenvolvimento em soro de queijo em condições anaeróbias e aeróbias, produzindo inicialmente (Pmax) 8,08 g.L-1 de etanol e produtividade (QX) de 0,81 g.L-1 .h-1 em 10 horas, com rendimento etanólico () de 76%. A LCOA obteve (Pmax) de 1,56 g.L-1 , (QX) de 0,09 g.L-1 .h-1 e () 9,82% em 14 horas. Já a K. marxianus CCT 4086 apresentou (Pmax) de 7,54 g.L-1 em 12 horas, (QX) de 0,63 g. L -1 .h-1 e () de 57,71%, todas em soro de queijo. Quanto a produção de biomassa, essa foi maior também pela K. marxianus URM 7404, porém, em aerobiose, chegando a produzir 8,88 g.L-1 em 12 horas, com produtividade de 0,94 g.L-1 .h-1 , enquanto que a LCOA teve produção máxima de 6, 40 g.L-1 e produtividade máxima de 0,62 g.L-1 .h-1 . A levedura padrão obteve produção máxima de biomassa de 8,24 g.L-1 em 10 horas, com produtividade de 0,82 g.L-1 .h-1 . Assim, após a adaptação da levedura K. marxianus URM 7404 no substrato, seguiu-se para as etapas 10 posteriores, utilizando condições anaeróbias e soro de queijo suplementado com extrato de levedura. Nessas condições de cultivo, obteve-se aumento de 60,77% na produção de etanol, chegando a (Pmax) de 20,60 g.L-1 de etanol, (QX) de 2,58 g.L-1 .h-1 e () de 95,70% em 8 horas. Com o melhoramento das condições posteriormente realizado, o (Pmax) de etanol chegou a 27,61 g.L-1 com () de 98,23% em 12 horas, utilizando concentração de lactose de 60 g.L-1 , temperatura de 33ºC e pH 5. Na ampliação de escala, utilizando as condições de cultivo obtidas no melhoramento, os resultados de produção de etanol foram próximos quando em 1, 6 e 21 e 36 litros, com (Pmax) de 28 g.L-1 , 27,51 g.L-1 e 26,90 g.L-1 em 12 horas e 25,81 g.L-1 (16 horas), e () de 97,84%, 96,70%, 96,30% e 95,80% respectivamente. Com consumo de lactose de 95%, 94,7%, 94,5% e 93,3% respectivamente. Quanto a eficiência na redução da demanda química de oxigênio (DQO), essa foi de 85,18% em 1L, 86,54% em 6L, 80,90% em 21 L e 78,94% em 36 L, no final de 18 horas de fermentação. Representando uma alternativa promissora para a valorização dos coprodutos gerados pelo laticínio e uma alternativa efetiva para a obtenção de uma fonte renovável de biocombustível.
O desenvolvimento da tecnologia de processos fermentativos associado à preocupação ambiental, decorrente das atividades industriais, tem incentivado o avanço de novas estratégias de geração de energia alternativa. O soro de queijo e o permeado de soro são coprodutos gerados por laticínios e constituem substratos ricos em nutrientes, com fonte de carbono e potencial para produção de etanol. O presente estudo teve por objetivo isolar e selecionar leveduras presentes no soro de queijo, para o desenvolvimento de um processo de produção de etanol, em comparação com uma levedura padrão Kluyveromyces marxianus CCT 4086. Foi utilizado para o isolamento o soro obtido após a produção dos queijos tipo gorgonzola e minas frescal, além da coalhada. Após o isolamento, as leveduras que apresentaram maiores crescimento em meio lactose, foram submetidas à fermentação do soro de queijo e permeado de soro em condições aeróbias (100 rpm), microaeróbias (50 rpm) e anaerobiose a 30ºC por 24 horas. Para que o processo fosse mais eficaz, após essa etapa, a levedura, a condição de cultivo e o substrato que apresentaram resultados de maior relevância para pesquisa foram submetidos à fermentação em diferentes tipos de suplementações do meio (com sais e extrato de levedura). Posteriormente foi realizado o melhoramento das condições de cultivo, variando pH, concentração da lactose e temperatura, seguida da ampliação de escala fermentativa (1 L, 6 L, 21 L e 36 L). Foram realizadas análises de etanol, biomassa, lactose, proteína e DQO. Foi possível isolar e selecionar duas leveduras aptas em desenvolverem-se e consumir o substrato de soro de queijo, sendo uma do soro gorgonzola (LSQG) e outra da coalhada (LCOA). Assim, das três leveduras estudadas (as isoladas e a padrão), a levedura LSQG, identificada como K. marxianus URM 7404, apresentou resultados mais satisfatórios para a produção de etanol e desenvolvimento em soro de queijo em condições anaeróbias e aeróbias, produzindo inicialmente (Pmax) 8,08 g.L-1 de etanol e produtividade (QX) de 0,81 g.L-1 .h-1 em 10 horas, com rendimento etanólico () de 76%. A LCOA obteve (Pmax) de 1,56 g.L-1 , (QX) de 0,09 g.L-1 .h-1 e () 9,82% em 14 horas. Já a K. marxianus CCT 4086 apresentou (Pmax) de 7,54 g.L-1 em 12 horas, (QX) de 0,63 g. L -1 .h-1 e () de 57,71%, todas em soro de queijo. Quanto a produção de biomassa, essa foi maior também pela K. marxianus URM 7404, porém, em aerobiose, chegando a produzir 8,88 g.L-1 em 12 horas, com produtividade de 0,94 g.L-1 .h-1 , enquanto que a LCOA teve produção máxima de 6, 40 g.L-1 e produtividade máxima de 0,62 g.L-1 .h-1 . A levedura padrão obteve produção máxima de biomassa de 8,24 g.L-1 em 10 horas, com produtividade de 0,82 g.L-1 .h-1 . Assim, após a adaptação da levedura K. marxianus URM 7404 no substrato, seguiu-se para as etapas 10 posteriores, utilizando condições anaeróbias e soro de queijo suplementado com extrato de levedura. Nessas condições de cultivo, obteve-se aumento de 60,77% na produção de etanol, chegando a (Pmax) de 20,60 g.L-1 de etanol, (QX) de 2,58 g.L-1 .h-1 e () de 95,70% em 8 horas. Com o melhoramento das condições posteriormente realizado, o (Pmax) de etanol chegou a 27,61 g.L-1 com () de 98,23% em 12 horas, utilizando concentração de lactose de 60 g.L-1 , temperatura de 33ºC e pH 5. Na ampliação de escala, utilizando as condições de cultivo obtidas no melhoramento, os resultados de produção de etanol foram próximos quando em 1, 6 e 21 e 36 litros, com (Pmax) de 28 g.L-1 , 27,51 g.L-1 e 26,90 g.L-1 em 12 horas e 25,81 g.L-1 (16 horas), e () de 97,84%, 96,70%, 96,30% e 95,80% respectivamente. Com consumo de lactose de 95%, 94,7%, 94,5% e 93,3% respectivamente. Quanto a eficiência na redução da demanda química de oxigênio (DQO), essa foi de 85,18% em 1L, 86,54% em 6L, 80,90% em 21 L e 78,94% em 36 L, no final de 18 horas de fermentação. Representando uma alternativa promissora para a valorização dos coprodutos gerados pelo laticínio e uma alternativa efetiva para a obtenção de uma fonte renovável de biocombustível.
Descrição
Palavras-chave
Coprodutos, Laticínios, Levedura, Bioetanol, Meio ambiente