Avaliação da contaminação conjunta de Dekkera bruxellensis e Lactobacillus fermentum sobre a fermentação alcoólica: efeito do substrato e formas de controle

As contaminações por leveduras selvagens e por bactérias no processo de produção de etanol combustível no Brasil causam prejuízos ao rendimento fermentativo e aumento de custos pelo uso de biocidas. No entanto, poucos estudos tem focado no efeito das contaminações conjuntas de leveduras selvagens e bactérias e as possíveis interações entre os micro-organismos, especialmente em função dos diferentes substratos de fermentação e das formas de controle. Este trabalho teve por objetivos verificar o efeito do substrato (caldo de cana e melaço) sobre o desenvolvimento das contaminações pela levedura da espécie Dekkera bruxellensis e pela bactéria Lactobacillus fermentum, em co-culturas com Saccharomyces cerevisiae (linhagem industrial PE-2) e possíveis formas de controle do crescimento dos contaminantes (pelo uso de metabissulfito de potássio e adição de etanol ao tratamento ácido) sem afetar a levedura do processo. Os testes foram realizados em condições de crescimento (substrato com 4 °Brix, culturas agitadas) e fermentação com reciclo celular (substrato com 16 °Brix, culturas estáticas). Houve interação entre as leveduras e a bactéria quando crescidas em caldo de cana 4 °Brix. A levedura industrial não foi afetada pela presença dos micro-organismos contaminantes, no entanto, para D. bruxellensis a presença de L. fermentum interferiu positivamente no crescimento, com aumento no número de UFC, e consequentemente inibição do crescimento da bactéria. Em melaço, houve um estímulo ao crescimento de L. fermentum quando em co-cultura com S. cerevisiae. Houve influência das contaminações sobre os parâmetros avaliados no experimento (pH, açúcar redutor total, etanol, glicerol e crescimento das células) e a contaminação conjunta de L. fermentum e D. bruxellensis potencializou o efeito das contaminações pelos micro-organismos isoladamente, tanto em caldo quanto em melaço. A adição de 13% de etanol à solução de ácido sulfúrico pH 2,0 no tratamento celular resultou em uma diminuição significativa no número de UFC de D. bruxellensis (entre 90-99%). A levedura PE-2 foi pouco afetada pelo tratamento proposto. A bactéria L. fermentum teve seu crescimento afetado em todas as combinações testadas. Como os experimentos foram feitos em co-culturas, verificouse que pode haver influência de um micro-organismo sobre a viabilidade do outro, dependendo da reação ao tratamento ácido-etanol. O metabissulfito de potássio (MBP), no intervalo entre 200-400 mg/L, foi eficaz para controlar o crescimento de D. bruxellensis dependendo do meio de cultura e linhagem. Quando adicionado (250 mg/L) à solução ácida (pH 2,0) no tratamento celular, um efeito significativo foi observado nas culturas mistas, pois ocorreu a inativação do SO2 pela S. cerevisiae e uma provável proteção das células de D. bruxellensis, não sendo essa levedura prejudicada pelo MBP. A resposta fisiológica de S. cerevisiae na presença de MBP pode explicar a diminuição significativa na produção de etanol. Quando o MBP foi adicionado ao meio de fermentação, resultou no controle da D. bruxellensis mas não em sua morte, com efeito menos intensivo sobre a eficiência fermentativa. Em cocultura com a adição de MBP, a eficiência fermentativa foi significativamente menor do que na ausência de MBP.

Flotação por ar dissolvido aplicado à separação de microalgas cultivadas em fotobiorreator, alimentado com vinhaça pré-tratada físico-quimicamente, com vistas à exploração de seu potencial bioenergético

Apesar de ser considerado um combustível sustentável, o etanol, produzido a partir da cana de açúcar, deixa um passivo de grandes proporções durante seu processo produtivo, a vinhaça, que vem sendo depositada nas próprias lavouras de cana de açúcar. É gerada na proporção de 12 litros para cada litro de etanol produzido em média, sendo rica em diversos nutrientes, os quais podem ser aproveitados para diversos fins como, por exemplo, meio de cultivo para microalgas. A presente pesquisa avaliou em uma primeira etapa a clarificação da vinhaça por um processo de coagulação com auxílio de um polímero catiônico, seguida de uma etapa de microfiltração tangencial em filtro de fibras ocas, o que permitiu uma redução superior a 77% para a cor aparente, de 99% para a turbidez e de 20% para a DQO, facilitando a utilização deste efluente para o cultivo de microalgas. Numa segunda etapa, foi avaliado o cultivo da microalga Chlorella vulgaris, em escala de bancada e operação em batelada, em meio preparado a partir da diluição da vinhaça em água de poço profundo, obtendo um aumento na biomassa produzida, determinado em termos de clorofila-a, em concentrações de vinhaça inferiores a 7,5% utilizando inóculo da ordem de 106 indivíduos. Tais dados permitiram a realização de ensaios de cultivo em escala contínua, com fotobiorreatores em escala piloto, gerando assim a biomassa utilizada nas próximas fases do estudo, que avaliaram a separação da biomassa gerada pelo processo de flotação por ar dissolvido. Os ensaios inicialmente realizados em escala de bancada e operados em batelada permitiram identificar as condições ótimas de operação, as quais foram então avaliadas em um flotador operando em fluxo contínuo. Tal flotador permitiu a obtenção de um lodo com teor de sólidos superior a 2%, o qual foi submetido à um processo final de desaguamento por centrifugação. Os ensaios de desaguamento, permitiram verificar que a utilização do mesmo polímero utilizado na etapa de clarificação permite a obtenção de um lodo mais estável, quando comparado com a não utilização de produto químico, na dosagem de polímero catiônico de 6 g.kg-1. A conclusão deste trabalho permitiu verificar a possibilidade de utilização da vinhaça como meio de cultivo de microalgas, reduzindo assim um dos impactos causados pela produção de etanol. Além disso foi possível verificar o potencial da FAD, para o espessamento de biomassa produzido em fotobiorreatores.

Soil quality response to land-use change for sugarcane expansion in Brazil

Globally, increasing demands for biofuels have intensified the rate of land-use change (LUC) for expansion of bioenergy crops. In Brazil, the world\'s largest sugarcane-ethanol producer, sugarcane area has expanded by 35% (3.2 Mha) in the last decade. Sugarcane expansion has resulted in extensive pastures being subjected to intensive mechanization and large inputs of agrochemicals, which have direct implications on soil quality (SQ). We hypothesized that LUC to support sugarcane expansion leads to overall SQ degradation. To test this hypothesis we conducted a field-study at three sites in the central-southern region, to assess the SQ response to the primary LUC sequence (i.e., native vegetation to pasture to sugarcane) associated to sugarcane expansion in Brazil. At each land use site undisturbed and disturbed soil samples were collected from the 0-10, 10-20 and 20-30 cm depths. Soil chemical and physical attributes were measured through on-farm and laboratory analyses. A dataset of soil biological attributes was also included in this study. Initially, the LUC effects on each individual soil indicator were quantified. Afterward, the LUC effects on overall SQ were assessed using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). Furthermore, six SQ indexes (SQI) were developed using approaches with increasing complexity. Our results showed that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture led to soil acidification, significant depletion of soil organic carbon (SOC) and macronutrients [especially phosphorus (P)] and severe soil compaction, which creates an unbalanced ratio between water- and air-filled pore space within the soil and increases mechanical resistance to root growth. Conversion from pasture to sugarcane improved soil chemical quality by correcting for acidity and increasing macronutrient levels. Despite those improvements, most of the P added by fertilizer accumulated in less plant-available P forms, confirming the key role of organic P has in providing available P to plants in Brazilian soils. Long-term sugarcane production subsequently led to further SOC depletions. Sugarcane production had slight negative impacts on soil physical attributes compared to pasture land. Although tillage performed for sugarcane planting and replanting alleviates soil compaction, our data suggested that the effects are short-term with persistent, reoccurring soil consolidation that increases erosion risk over time. These soil physical changes, induced by LUC, were detected by quantitative soil physical properties as well as by visual evaluation of soil structure (VESS), an on-farm and user-friendly method for evaluating SQ. The SMAF efficiently detected overall SQ response to LUC and it could be reliably used under Brazilian soil conditions. Furthermore, since all of the SQI values developed in this study were able to rank SQ among land uses. We recommend that simpler and more cost-effective SQI strategies using a small number of carefully chosen soil indicators, such as: pH, P, K, VESS and SOC, and proportional weighting within of each soil sectors (chemical, physical and biological) be used as a protocol for SQ assessments in Brazilian sugarcane areas. The SMAF and SQI scores suggested that long-term conversion from native vegetation to extensive pasture depleted overall SQ, driven by decreases in chemical, physical and biological indicators. In contrast, conversion from pasture to sugarcane had no negative impacts on overall SQ, mainly because chemical improvements offset negative impacts on biological and physical indicators. Therefore, our findings can be used as scientific base by farmers, extension agents and public policy makers to adopt and develop management strategies that sustain and/or improving SQ and the sustainability of sugarcane production in Brazil.

Avaliação do desempenho ambiental de alternativas de reaproveitamento de vinhaça decorrente da produção de etanol.

A obtenção de etanol a partir de rotas alcoolquímicas consagradas gera resíduos com potencial de aproveitamento, tanto em outros setores produtivos como no ciclo produtivo do próprio combustível. Este é o caso de torta de filtro e vinhaça. A vinhaça em particular costuma ser devolvida ao campo com o intuito de ajustar teores nutricionais do solo no cultivo da cana. No entanto, estudos ambientais destacam que esta alternativa traz efeitos negativos sobre os meios receptores (água e solo), condição que abre a perspectiva para exploração de usos alternativos dessas substâncias. Este estudo se propôs a contribuir para o tema ao avaliar de forma sistêmica o desempenho ambiental de duas alternativas de reaproveitamento de vinhaça: (i) reuso no campo em processos de fertirrigação, alternativa consolidada no Brasil, e (ii) reuso da fração líquida da vinhaça em etapas diversas do processo industrial de obtenção de etanol. Em qualquer das situações fez-se uso da técnica de Avaliação de Ciclo de Vida - ACV para proceder tal verificação. A análise ambiental da prática de reuso de vinhaça e torta para fertirrigação foi conduzida a partir da comparação de cenários que consideraram a forma de suprimento de nutrientes para a cana e o método de colheita. A avaliação de impactos ocorreu em dois níveis: quanto ao consumo de recursos, a partir de Primary Energy Demand (PED); e em termos de emissões para o ambiente por meio da elaboração do Perfil Ambiental. Uma Análise de Sensibilidade foi também realizada para verificar o efeito de oscilações dos teores de Nitrogênio (N), Fósforo (P) e Potássio (K) na composição da vinhaça sobre os resultados obtidos, caso da primeira alternativa. Concluiu-se para esse caso que a substituição parcial de fertilizantes químicos por vinhaça traz aumento da Demanda de Energia Primária global para ambos os métodos de colheita. Em termos de Perfil Ambiental, a comparação entre cenários das mesmas práticas de manejo mostrou que a troca de adubos por vinhaça e torta é positiva para o desempenho ambiental do etanol por reduzir impactos quanto a Mudanças Climáticas (CC), Acidificação Terrestre (TA) e Toxicidade Humana (HT). Por outro lado, o tratamento de vinhaça para reposição de água na etapa industrial resultou em aumento global das contribuições para as categorias acima mencionadas além de incrementos para Eutrofização de água doce (FEut) e Ecotoxicidade de água doce (FEC), a despeito de ser constatada a redução de 45% quanto a Depleção de água (WD). Os aumentos no impacto se deveram principalmente aos efeitos negativos causados durante a produção do CaO usado no processo de tratamento da vinhaça. No entanto, a substituição deste insumo por NaOH só representou melhora em termos de CC. Pode-se concluir que a reutilização de vinhaça e de torta de filtro como complemento nutricional para o cultivo de cana-de-açúcar resultou em uma alternativa mais adequada de reaproveitamento do que o se este fluído fosse reutilizado para suprir parte da demanda hídrica de processo, mesmo quando o consumo de água na etapa industrial tenha inexoravelmente se reduzido a partir da implantação dessa medida.

Produção de hidrogênio por fermentação por um novo isolado de Clostridium beijerinckii

O hidrogênio (H2) tem sido considerado uma fonte de energia limpa bastante promissora, pois sua combustão origina apenas moléculas de água, sendo uma alternativa ao uso de combustíveis fósseis. Entretanto, os métodos atuais de produção de H2 demandam matérias-primas finitas e uma grande quantidade de energia, tornando a sua obtenção não sustentável. Mais recentemente, a via fermentativa tem sido considerada para a produção de H2, utilizando como matérias-primas efluentes industriais, materiais lignocelulósicos e biomassa de algas, denominado de bio-hidrogênio de primeira, segunda e terceira geração, respectivamente. Neste trabalho foi isolada uma bactéria anaeróbia a partir de uma cultura mista (lodo) de um sistema de tratamento de vinhaça, após pré-tratamento do lodo a pH 3 por 12 horas. Este microrganismo foi identificado com 99% de similaridade como Clostridium beijerinckii com base na sequência do gene RNAr 16S denominado de C. beijerinckii Br21. A temperatura e o pH mais adequados para o crescimento e produção de H2 por esta cultura foi 35 °C e pH inicial 7,0. A bactéria possui a capacidade de utilizar ampla variedade de fontes de carbono para a produção de H2 por fermentação, especialmente, monossacarídeos resultantes da hidrólise de biomassa de algas, tais como glicose, galactose e manose. Foram realizados ensaios em batelada para a produção de H2 com a bactéria isolada empregando diferentes concentrações de glicose e galactose, visando a sua futura utilização em hidrolisados de alga. Os parâmetros cinéticos dos ensaios de fermentação estimados pelo modelo de Gompertz modificado, como a velocidade máxima de produção (Rm), a quantidade máxima de hidrogênio produzido (Hmáx) e o tempo necessário para o início da produção de hidrogênio (fase lag) para a glicose (15 g/L) foram de: 58,27 mL de H2/h, 57,68 mmol de H2 e 8,29 h, respectivamente. Para a galactose (15 g/L), a Rm, Hmáx e foram de 67,64 mL de H2/h, 47,61 mmol de H2 e 17,22 horas, respectivamente. O principal metabólito detectado ao final dos ensaios de fermentação, foi o ácido butírico, seguido pelo ácido acético e o etanol, tanto para os ensaios com glicose, como com galactose. C. beijerinckii é um candidato bastante promissor para a produção de H2 por fermentação a partir de glicose e galactose e, consequentemente, a partir de biomassa de algas como substratos.