Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses

O presente trabalho tem como objetivo a otimização da etapa de fermentação dos açúcares obtidos a partir da drêche cervejeira para produção do bioetanol através da utilização das leveduras Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 como agentes fermentativos. O meio de cultura usado para manter as culturas destas leveduras foi Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). O principal propósito deste trabalho foi o de encontrar alternativas aos combustíveis fósseis, pautando-se por soluções inofensivas para o meio ambiente e sustentáveis. Assim, o trabalho está dividido em quatro etapas: 1) caraterização química e biológica da drêche; 2) pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática para primeiramente quebrar as moléculas de lenhina que envolvem os polímeros de celulose e hemicelulose e em seguida romper as ligações poliméricas destas macromoléculas por ação enzimática e transforma-las em açúcares simples, respetivamente, obtendo-se então a glucose, a maltose, a xilose e a arabinose; e, por último, 3) otimização da etapa de fermentação da glucose, maltose e das pentoses que constitui a condição essencial para se chegar à síntese do bioetanol de um modo eficiente e sustentável e 4) a recuperação do bioetanol produzido por destilação fracionada. A quantificação dos açúcares libertados no processo foi feita recorrendo a análises por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Neste estudo foram identificados e quantificados cinco açúcares: Arabinose, Glucose, Maltose, Ribose e Xilose. Na etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática foram usados os ácidos clorídrico (HCl) e nítrico (HNO3) com a concentração de 1% (m/m), e as enzimas Glucanex 100g e Ultraflo L. Foram testadas seis condições de pré-tratamento e hidrólise enzimática, alterando os parâmetros tempo de contacto e razão enzimas/massa de drêche, respetivamente, e mantendo a temperatura (50 ºC), velocidade de agitação (75 rpm) e concentração dos ácidos (1% (m/m)). No processamento de 25 g de drêche seca com 0,5 g de Glucanex, 0,5 mL de Ultraflo e um tempo de reação de 60 minutos para as enzimas foi obtida uma eficiência de 15%, em hidrolisado com 6% da celulose. Realizou-se a fermentação do hidrolisado resultante do pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática de drêche cervejeira e de meios sintéticos preparados com os açúcares puros, usando as duas estirpes selecionadas para este estudo: Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NYCY 2791. As eficiências de fermentação dos açúcares nos meios sintéticos foram superiores a 80% para ambas as leveduras. No entanto, as eficiências de fermentação do hidrolisado da drêche foram de 45,10% pela Pichia stipitis e de 36,58 para Kluyveromyces marxianus, para um tempo de fermentação de 72 horas e à temperatura de 30 °C. O rendimento teórico em álcool no hidrolisado da drêche é de 0,27 g/g, três vezes maior do que o real (0,0856 g/g), para Pichia stipitis e de 0,19 g/g seis vezes maior do que o real (0,0308 g/g), para a Kluyveromyces marxianus.

The present work aims to optimize the fermentation of sugars obtained from the brewer’s spent grains for bioethanol production by using the yeasts Pichia stipitis NCYC 1541 and Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 as fermenting agents. The culture environment used for growing the yeasts was Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). The main purpose of this work is to find alternatives to fossil fuels and is driven by solutions harmless to the environment. The work is divided into four steps: chemical and biological characterization of brewer’s spent grains (BSG); acid and enzymatic hydrolysis to first break the lignin molecules involving cellulose and hemicellulose polymers and then break the bonds of these polymeric macromolecules by enzymatic action and transform them into simple sugars, respectively, thus producing glucose, maltose, xylose and arabinose; optimization step of glucose and pentose fermentation which is the essential condition for reaching the synthesis of bioethanol in an efficient and sustainable manner and finally bioethanol recovery. The quantification of sugars released in the process was done by using high performance liquid chromatography (HPLC). This study identified five sugars: arabinose, glucose, maltose, ribose and xylose. For the pre-treatment and enzymatic hydrolysis step we used hydrochloric acid (HCl) and nitric acid (HNO3) at 1% (m /m) of concentration, Ultraflo L and Glucanex 100g enzymes. Six conditions of pre-treatment and enzymatic hydrolysis were tested, altering some parameters: contact time and the amount of enzymes, respectively, maintaining the temperature (50 °C), speed of agitation (75 rpm) and concentration of the acids (1% (w / w)). With 0.5 g of Glucanex, 0.5 mL of Ultraflo and 60 minutes of reaction time for the enzymes it was achieved 15% of efficiency in obtaining a hydrolyzate from a sample of BSG with 6% of cellulose The hydrolyzed resulting from the acid pretreatment and enzymatic hydrolysis and a synthetic medium prepared with the same simple sugars, it was tested the process of fermentation with the two strains mentioned above in the text. The efficiencies for the synthetic medium with both yeasts were higher than 80%, after 72 h of fermentation time at a temperature of 30 °C. In what concerns the fermentation of the liquor resulting from the BSG pre-treatment and hydrolysis, the fermentation yield was substantially lower, of 45.10% for the Pichia stipitis, and of 36.58% for the Kluyveromyces marxianus, which is probably due to the presence of inhibitory compounds resulting from the process. The theoretical yield in alcohol in hydrolysates of brewerye’s spent grains is of 0.27 g/g for Pichia stipitis, which is three times larger than the actual (0.0856 g/g) and 0.19 g/g for Kluyveromyces marxianus which is six times larger than the actual (0.0308 g/g).