Estudo da bioconversão da lactose do soro de leite em bioetanol pela evedura Kluyveromyces marxianus 229

Pós-graduação em Engenharia e Ciência de Alimentos - IBILCE

Produzione di bioetanolo da effluenti del settore lattiero-caseario con Kluyveromyces marxianus

Il siero di latte e la scotta sono effluenti provenienti rispettivamente dal processo di trasformazione del latte in formaggio e ricotta. Il siero di latte contiene minerali, lipidi, lattosio e proteine; la scotta contiene principalmente lattosio. Il siero può essere riutilizzato in diversi modi, come l'estrazione di proteine o per l’alimentazione animale, mentre la scotta è considerata solamente un rifiuto. Inoltre, a causa degli ingenti volumi di siero prodotti nel mondo, vengono a crearsi seri problemi ambientali e di smaltimento. Destinazioni alternative di questi effluenti, come le trasformazioni biotecnologiche, possono essere un modo per raggiungere il duplice obiettivo di migliorare il valore aggiunto dei processi agroindustriali e di ridurre il loro impatto ambientale. In questo lavoro sono state studiate le condizioni migliori per produrre bioetanolo dal lattosio del siero e della scotta. Kluyveromyces marxianus è stato scelto come lievito lattosio-fermentante. Sono state effettuate fermentazioni su scala di laboratorio aerobiche e anaerobiche in batch, fermentazioni semicontinue in fase dispersa e con cellule immobilizzate in alginato di calcio,. Diverse temperature sono state testate per migliorare la produzione di etanolo. Le migliori prestazioni, per entrambe le matrici, sono state raggiunte a basse temperature (28°C). Anche le alte temperature sono compatibili con buone rese di etanolo nelle fermentazioni con siero. Ottimi risultati si sono ottenuti anche con la scotta a 37°C e a 28°C. Le fermentazioni semicontinue in fase dispersa danno le migliori produzioni di etanolo, in particolare con la scotta. Invece, l'uso di cellule di lievito intrappolate in alginato di calcio non ha migliorato i risultati di processo. In conclusione, entrambi gli effluenti possono essere considerati adatti per la produzione di etanolo. Le buone rese ottenute dalla scotta permettono di trasformare questo rifiuto in una risorsa.

Heterologous expression of a thermophilic esterase in Kluyveromyces yeasts

In the present work, a thermophilic esterase from Thermus thermophilus HB27 was cloned into Kluyveromyces marxianus and into Kluyveromyces lactis using two different expression systems, yielding four recombinant strains. K. lactis showed the highest esterase expression levels (294 units per gram dry cell weight, with 65% of cell-bound enzyme) using an episomal system with the PGK promoter and terminator from Saccharomyces cerevisiae combined with the K. lactis k1 secretion signal. K. marxianus showed higher secretion efficiency of the heterologous esterase (56.9 units per gram dry cell weight, with 34% of cell-bound enzyme) than K. lactis. Hydrolytic activities for the heterologous esterases were maximum at pH values between 8.0 and 9.0 for both yeast species and at temperatures of 50 A degrees C and 45 A degrees C for K. marxianus and K. lactis, respectively. When compared to previously published data on this same esterase produced in the original host or in S. cerevisiae, our results indicate that Kluyveromyces yeasts can be considered good hosts for the heterologous secretion of thermophilic esterases, which have a potential application in biodiesel production or in resolving racemates.

Imobilização da inulinase de Klyveromyces marxianus var. bulgaricus ATCC 16045: caracterização e produção de açúcar invertido em biorreator

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

The Influence of Initial Xylose Concentration, Agitation, and Aeration on Ethanol Production by Pichia stipitis from Rice Straw Hemicellulosic Hydrolysate

Rice straw hemicellulosic hydrolysate was used as fermentation medium for ethanol production by Pichia stipitis NRRL Y-7124. Shaking bath experiments were initially performed aiming to establish the best initial xylose concentration to be used in this bioconversion process. In the sequence, assays were carried out under different agitation (100 to 200 rpm) and aeration ((V) under bar (flask)/V(medium) ratio varying from 2.5 to 5.0) conditions, and the influence of these variables on the fermentative parameters values (ethanol yield factor, Y(P/S); cell yield factor, Y(X/S); and ethanol volumetric productivity, Q(P)) was investigated through a 2(2) full-factorial design. Initial xylose concentration of about 50 g/l was the most suitable for the development of this process, since the yeast was able to convert substrate in product with high efficiency. The factorial design assays showed a strong influence of both process variables in all the evaluated responses. The agitation and aeration increase caused a deviation in the yeast metabolism from ethanol to biomass production. The best results (Y(P/S) = 0.37 g/g and Q(P) = 0.39 g/l. h) were found when the lowest aeration (2.5 V(flask)/V(medium) ratio) and highest agitation (200 rpm) levels were employed. Under this condition, a process efficiency of 72.5% was achieved. These results demonstrated that the establishment of adequate conditions of aeration is of great relevance to improve the ethanol production from xylose by Pichia stipitis, using rice straw hemicellulosic hydrolysate as fermentation medium.

A novel psychrotolerant member of the hymenomycetous yeasts from Antarctica: Cryptococcus watticus sp nov.

Soil, snow and organic material, collected in November 1997 from the Vestvold Hills, Davis Base, Antarctica, were screened for yeasts. Two isolates, which were shown to be indistinguishable by rDNA sequencing and protein analysis by SIDS-PAGE, are described in this communication as a novel species, Cryptococcus watticus sp. nov. (type culture, CBS 9496(T) = NRRL Y-27556(T)). Sequence analyses of the 26S rDNA D1/D2 region placed C. watticus in the hymenomycetous yeasts in a cluster with Holtermannia corniformis and Cryptococcus nyarrowii. This species has been allocated to the genus Cryptococcus on the basis of physiological and morphological characteristics.

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.

Acção antimicrobiana de sobrenadantes mistos S. cereviisiiae /H.. guilliermondii em leveduras não-Saccharomyces

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Biotecnologia

Produção de bioetanol a partir da microalga Scenedesmus obliquus

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Energia e Bioenergia

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.

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% Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses 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.

Ondas ultrassônicas e pérolas de vidro: um novo método de extração de beta-galactosidase para uso em laboratório

The optimization of a traditional technique of cellular disruption by abrasion was carried out and a process using ultrasonic waves associated with glass pearls to extract beta-galactosidase from Kluyveromyces marxianus proposed. In the first case, the effects of the diameter and weight of the pearls in relation to the volume of cellular suspension and amount of time for cellular disruption were evaluated. The efficiency of the new process of cellular disruption was evaluated by varying the length of time of sonification and comparing with the method of abrasion under the same conditions. The proposed method can be efficiently applied to obtain beta-galactosidase at laboratory scale.

Produção de protoplastos e lise da parede celular de leveduras utilizando β-1,3 glucanase

O presente trabalho visou a aplicação da β-1,3 glucanase lítica, obtida do microrganismo Cellulosimicrobium cellulans 191, na produção de protoplastos e na lise da parede celular de leveduras. A preparação bruta da enzima foi capaz de lisar as leveduras Kluyveromyces lodderi, Saccharomyces cerevisiae (Fleischmann e Itaiquara), S. cerevisiae KL-88, S. diastaticus NCYC 713, S. cerevisiae NCYC 1001, Candida glabrata NCYC 388, Kluyveromyces marxianus NCYC 587 e Hansenula mrakii NCYC 500. A β-1,3 glucanase purificada foi capaz de lisar as leveduras Saccharomyces cerevisiae KL-88, Saccharomyces capensis, Debaromyces vanriji, Pachysolen tannophillus, Kluyveromyces drosophilarum, Candida glabrata, Hansenula mrakii e Pichia membranaefaciens e formar protoplastos de Saccharomyces cerevisiae KL-88.

Oleaginous yeast Cryptococcus curvatus exhibits interplay between biosynthesis of intracellular sugars and lipids

Patterns of the biosynthesis ofmajor metabolites of the oleaginous yeast Cryptococcus curvatus NRRL Y-1511 were investigated during cultivation on sugar-based media. When lactose or sucrose was employed as substrate under nitrogen-limited conditions, the yeast strain accumulated high quantities of intra-cellular total sugars (ITS) at the beginning of fermentation (up to 68% w/w), with ITS values progressively decreasing to 20%, w/w, at the end of the fermentation. Decrease in ITS content and consumption of extracellular lactose led to a subsequent rise in lipid accumulation, reaching 29.8% in dry cell weight at 80 g/L of initial lactose concentration. Lactose was a more favorable substrate for lipid production than sucrose. In nitrogen-excess conditions, ITS were produced in significant quantities despite the continuous presence of nitrogen in the medium. Growth on lactose was not followed by secretion of extra-cellular b-galactosidase. High quantities of extra-cellular invertase were observed during growth on sucrose. The composition of ITS was highly influenced by the sugar used as substrate. Cellular lipids contained mainly palmitic and to lesser extent linoleic and stearic acids. This is the first report in the literature that demonstrates the interplay between the biosynthesis of intra-cellular total sugars and lipid synthesis for oleaginous yeast strains.

Sympodiomyces attinorum sp nov., a yeast species associated with nests of the leaf-cutting ant Atta sexdens

Four strains of a novel yeast species were isolated from laboratory nests of the leaf-cutting ant Atta sexdens in Brazil. Three strains were found in older sponges and one was in a waste deposit in the ant nests. Sequencing of the D1/D2 region of the large-subunit rRNA gene showed that the novel species, named Sympodiomyces attinorum sp. nov., is phylogenetically related to Sympodiomyces parvus. Unlike Sympodiomyces parvus, Sympodiomyces attinorum can ferment glucose, assimilate methyl alpha-D-glucoside, salicin and citrate, and grow at 37 degreesC, thus enabling these two species to be distinguished. Differentiation from other related species is possible on the basis of other growth characteristics. The type strain of Sympodiomyces attinorum is UNESP-S156(T) (=CBS 9734(T)=NRRL Y-27639(T)).