The use of colloidal gas aphrons as novel downstream processing for the recovery of astaxanthin from cells of Phaffia rhodozyma

BACKGROUND: There is an increasing interest in obtaining natural products with bioactive properties, using fermentation technology. However, the downstream processing consisting of multiple steps can be complicated, leading to increase in the final cost of the product. Therefore there is a need for integrated, cost-effective and scalable separation processes. RESULTS: The present study investigates the use of colloidal gas aphrons (CGA), which are surfactant-stabilized microbubbles, as a novel method for downstream processing. More particularly, their application for the recovery of astaxanthin from the cells of Phaffia rhodozyma is explored. Research carried out with standard solutions of astaxanthin and CGA generated from the cationic surfactant hexadecyl. trimethyl ammonium bromide (CTAB) showed that up to 90% recovery can be achieved under optimum conditions, i.e., pH 11 with NaOH 0.2 mol L-1. In the case of the cells' suspension from the fermentation broth, three different approaches were investigated: (a) the conventional integrated approach where CGA were applied directly; (b) CGA were applied to the clarified suspension of cells; and finally (c) the in situ approach, where CGA are generated within the clarified suspension of cells. Interestingly, in the case of the whole suspension (approach a) highest recoveries (78%) were achieved under the same conditions found to be optimal for the standard solutions. In addition, up to 97% recovery of total carotenoids could be achieved from the clarified suspension after pretreatment with NaOH. This pretreatment led to maximum cell disruption as well as optimum conditioning for subsequent CGA separation. CONCLUSIONS: These results demonstrate the potential of CGA for the recovery of bioactive components from complex feedstock. (c) 2008 Society of Chemical Industry.

Prediction of moisture, calorific value, ash and carbon content of two dedicated bioenergy crops using near-infrared spectroscopy

The potential of near infrared spectroscopy in conjunction with partial least squares regression to predict Miscanthus xgiganteus and short rotation coppice willow quality indices was examined. Moisture, calorific value, ash and carbon content were predicted with a root mean square error of cross validation of 0.90% (R2 = 0.99), 0.13 MJ/kg (R2 = 0.99), 0.42% (R2 = 0.58), and 0.57% (R2 = 0.88), respectively. The moisture and calorific value prediction models had excellent accuracy while the carbon and ash models were fair and poor, respectively. The results indicate that near infrared spectroscopy has the potential to predict quality indices of dedicated energy crops, however the models must be further validated on a wider range of samples prior to implementation. The utilization of such models would assist in the optimal use of the feedstock based on its biomass properties.

Production of angiotensin converting enzyme inhibitory peptides from β-lactoglobulin and casein derived peptides: an integrative approach

Angiotensin I-converting enzyme (ACE) inhibition is one of the mechanisms by which reduction in blood pressure is exerted. Whey proteins are a rich source of ACE inhibitory peptides and have shown a blood pressure reduction effect i.e. antihypertensive activity. The aim of this work was to develop a simplified process using a combination of adsorption and microfiltration steps for the production of hydrolysates from whey with high ACE inhibitory activity and potency; the latter was measured as the IC50, which is the peptide concentration required to reduce ACE activity by half. This process integrates the selective separation of β-lactoglobulin and casein derived peptides (CDP) from rennet whey and their hydrolysis, which results in partially pure, less complex hydrolysates with high bioactive potency. Hydrolysis was carried out with protease N ‘Amano’ in a thermostatically controlled membrane reactor operated in a batch mode. By applying the integrative approach it was possible to produce from the same feedstock two different hydrolysates that exhibited high ACE inhibition. One hydrolysate was mainly composed of casein-derived peptides with IC50= 285 μg/mL. In this hydrolysate we identified the well known potent ACE-I and anti-hypertensive tri-peptide Ile-Pro-Pro (IPP) and another novel octa-peptide Gln-Asp-Lys-Thr-Glu-Ile-Pro-Thr (QDKTEIPT). The second hydrolysate was mainly composed of β-lactoglobulin derived peptides with IC50=128 µg/mL. This hydrolysate contained a tetra-peptide (Ile-Ile-Ala-Glu) IIAE as one of the two major peptides. A further advantage to this process is that enzyme activity was substantially increased as enzyme product inhibition was reduced.

Rhodosporidium toruloides cultivated in NaCl-enriched glucose-based media: adaptation dynamics and lipid production

In the present report and for the first time in the international literature, the impact of the addition of NaCl upon growth and lipid production on the oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides was studied. Moreover, equally for first time, lipid production by R. toruloides was performed under non-aseptic conditions. Therefore, the potentiality of R. toruloides DSM 4444 to produce lipid in media containing several initial concentrations of NaCl with glucose employed as carbon source was studied. Preliminary batch-flask trials with increasing amounts of NaCl revealed the tolerance of the strain against NaCl content up to 6.0% (w/v). However, 4.0% (w/v) of NaCl stimulated lipid accumulation for this strain, by enhancing lipid production up to 71.3% (w/w) per dry cell weight. The same amount of NaCl was employed in pasteurized batch-flask cultures in order to investigate the role of the salt as bacterial inhibiting agent. The combination of NaCl and high glucose concentrations was found to satisfactorily suppress bacterial contamination of R. toruloides cultures under these conditions. Batch-bioreactor trials of the yeast in the same media with high glucose content (up to 150 g/L) resulted in satisfactory substrate assimilation, with almost linear kinetic profile for lipid production, regardless of the initial glucose concentration imposed. Finally, fed-batch bioreactor cultures led to the production of 37.2 g/L of biomass, accompanied by 64.5% (w/w) of lipid yield. Lipid yield per unit of glucose consumed received the very satisfactory value of 0.21 g/g, a value amongst the highest ones in the literature. The yeast lipid produced contained mainly oleic acid and to lesser extent palmitic and stearic acids, thus constituting a perfect starting material for “second generation” biodiesel

Densities and Viscosities of vegetable oils of nutritional value

Densities and viscosities of five vegetable oils (Babassu oil, Buriti oil, Brazil nut oil, macadamia oil, and grape seed oil) and of three blends of Buriti oil and soybean oil were measured as a function of temperature and correlated by empirical equations. The estimation capability of two types of predictive methodologies was tested using the measured data. The first group of methods was based on the fatty acid composition of the oils, while the other was based on their triacylglycerol composition, as a multicomponent system. In general, the six models tested presented a good representation of the physical properties considered in this work. A simple method of calculation is also proposed to predict the dynamic viscosity of methyl and ethyl ester biodiesels, based on the fatty acid composition of the original oil. Data presented in this work and the developed model can be valuable for designing processes and equipment for the edible oil industry and for biodiesel production.

Underutilized Annona Species from the Brazilian Cerrado and Amazon Rainforest: A Study on Fatty Acids Profile and Yield of Seed Oils

Annona (Annonaceae) is an important source of fruits in the Brazilian Cerrado and the Amazon Rainforest. Some Annona species are widely commercialized as fresh fruit or as frozen pulp. Seeds are accustomedly discarded. Our main goal was to analyze fatty acids profile from seeds of A. crassiflora and A. coriacea from Cerrado, A. montana from Amazon Forest, and three cultivars (A. cherimola cv. Madeira, A. cherimola x A. squamosa cv. Pink`s Mammonth and A. cherimola x A. squamosa cv. Gefner). The total oil yield ranged between 20 and 42% by weight of dry mass. The A cherimola x A. squamosa cv. Gefner has significantly higher total lipid yield than all other samples. 100 g of fruit of this species present 6-8 g of seeds. Considering the fruit production of Chile (over 221 ton of fruits/year), more than 1300 ton of seed/year could be obtained, which could provide at least 200 ton of seed oil. Oleic acid was predominant for most samples, but for A. montana linoleic acid was the most abundant FA. Phenotypic variation on FAME profile was observed. These new data are an urgent requirement for supporting conservation programs, mainly for Cerrado areas in Brazil.

Screening of bacteria to produce polyhydroxyalkanoates from xylose

Although xylose is a major constituent of lignocellulosic feedstock and the second most abundant sugar in nature, only 22% of 3,152 screened bacterial isolates showed significant growth in xylose in 24 h. Of those 684, only 24% accumulated polyhydroxyalkanoates after 72 h. A mangrove isolate, identified as Bacillus sp. MA3.3, yielded the best results in literature thus far for Gram-positive strains in experiments with glucose and xylose as the sole carbon source. When glucose or xylose were supplied, poly-3-hydroxybutyrate (PHB) contents of cell dry weight were, respectively, 62 and 64%, PHB yield 0.25 and 0.24 g g(-1) and PHB productivity (P(PHB)) 0.10 and 0.06 g l(-1) h(-1). This 40% P(PHB) difference may be related to the theoretical ATP production per 3-hydroxybutyrate (3HB) monomer calculated as 3 mol mol(-1) for xylose, less than half of the ATP/3HB produced from glucose (7 mol mol(-1)). In PHB production using sugar mixtures, all parameters were strongly reduced due to carbon catabolite repression. PHB production using Gram-positive strains is particularly interesting for medical applications because these bacteria do not produce lipopolysaccharide endotoxins which can induce immunogenic reactions. Moreover, the combination of inexpensive substrates and products of more value may lead to the economical sustainability of industrial PHB production.

Mode of operation and low-resolution structure of a multi-domain and hyperthermophilic endo-beta-1,3-glucanase from Thermotoga petrophila

1,3-beta-Glucan depolymerizing enzymes have considerable biotechnological applications including biofuel production, feedstock-chemicals and pharmaceuticals. Here we describe a comprehensive functional characterization and low-resolution structure of a hyperthermophilic laminarinase from Thermotoga petrophila (TpLam). We determine TpLam enzymatic mode of operation, which specifically cleaves internal beta-1,3-glucosidic bonds. The enzyme most frequently attacks the bond between the 3rd and 4th residue from the non-reducing end, producing glucose, laminaribiose and laminaritriose as major products. Far-UV circular dichroism demonstrates that TpLam is formed mainly by beta structural elements, and the secondary structure is maintained after incubation at 90 degrees C. The structure resolved by small angle X-ray scattering, reveals a multi-domain structural architecture of a V-shape envelope with a catalytic domain flanked by two carbohydrate-binding modules. Crown Copyright (C) 2011 Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

Have Biofuel, Will Travel: A Colorful Experiment and a Different Approach To Teach the Undergraduate Laboratory

The substitution of petroleum-based fuels with those from renewable sources has gained momentum worldwide. A UV-vis experiment for the quantitative analysis of biofuels (bioethanol or biodiesel) in (petroleum-based) diesel oil has been developed. Before the experiment, students were given a quiz on biofuels, and then they were asked to suggest a suitable UV-vis experiment for the quantification of biofuels in diesel oil. After discussing the results of the quiz, the experiment was conducted. This included the determination of lambda(max) of the medium-dependent, that is, solvatochromic, visible absorption band of the probe 2,6-bis[4-(tert-butyl)phenyl]-4-{2,4,6-tris[4-(tert-butyl)phenyl]pyridinium-1-yl}phenolate as a function of fuel composition. The students appreciated that the subject was linked to a daily situation and that they were asked to suggest the experiment. This experiment served to introduce the phenomena of solvation and solvatochromism.

Agro-Based Biocomposites for Industrial Applications

Leaf fibers are fibers that run lengthwise through the leaves of most monocotyledonous plants such as pineapple, banana, etc. Pineapple (Ananas comosus) and Banana (Musa indica) are emerging fiber having a very large potential to be used for composite materials. Over 150,000 ha of pineapple and over 100,000 ha of banana plantations are available in Brazil for the fruit production and enormous amount of agricultural waste is produced. This residual waste represents one of the single largest sources of cellulose fibers available at almost no cost. The potential consumers for this fiber are pulp and paper, chemical feedstock, textiles and composites for the automotive, furniture and civil construction industry.

Alternativas de constituição da cadeia produtiva do biodisel na perspectiva dos centros de P&D

O modelo atual de desenvolvimento que está baseado na capacidade inesgotável do ambiente em fornecer energia e matéria, passa a ser cada dia menos viável quando se avalia a situação a ser deixada para as futuras gerações. A utilização de fontes não-renováveis de energia, como o petróleo e seus derivados, tem proporcionado elevados índices de desenvolvimento em algumas nações, mas também tem causado sérios impactos ao meio ambiente. Já na década de 70, as crises relacionadas à volatilidade nos preços do petróleo e a força dos movimentos ambientalistas trouxeram a necessidade de uma nova orientação para as questões energéticas em geral, estimulando a busca por fontes renováveis de energia e, entre elas, alternativas no setor agrícola para produção de biocombustíveis. Sendo assim, diversos biocombustíveis vêm sendo testados em todo o país, sendo que um deles, o biodiesel, vem tendo seu interesse retomado nos últimos anos. O biodiesel é um produto obtido da transesterificação de óleos e gorduras de origem vegetal, animal ou residual, que possui características muito semelhantes ao diesel do petróleo. O biodiesel pode ser utilizado puro ou misturado ao óleo diesel em diferentes proporções, sendo que seu maior atrativo é o fato de ser um combustível renovável e menos poluente. Entretanto, o fato de uma tecnologia ser científica e tecnicamente viável não garante que ela seja socialmente aceita pelo mercado e que se torne um produto comercial de sucesso, já que fatores sociais, políticos, econômicos e psicológicos interferem na capacidade dos agentes de avaliar as alternativas disponíveis e tomar decisões. Diante disso, este trabalho visa analisar as alternativas de constituição da cadeia produtiva do biodiesel no Brasil na perspectiva dos centros de P&D e, dessa forma, constatar junto a especialistas as questões fundamentais que têm sido consideradas na análise de viabilidade técnica, econômica e socioambiental da produção e comercialização deste produto. Para tanto, procurou-se identificar os principais elementos de viabilidade a serem abordados junto aos centros de P&D e, por meio de entrevistas em profundidade, delinear alternativas de configuração da cadeia produtiva do biodiesel no Brasil.

Estratégias de atuação das empresas de etanol no Brasil

Diante das perspectivas de crescimento da demanda mundial por biocombustíveis, principalmente biodiesel e etanol, grandes empresas, incluindo as atuantes no setor de Energia, vem planejando sua entrada neste negócio. Dentre as principais estratégias observadas estão as operações de aquisições direta em diversos elos da cadeia produtiva, com o conseqüente aumento da concentração horizontal e vertical da cadeia produtiva. Tendo em vista estes movimentos em direção de um aumento da concentração na indústria de etanol, torna-se necessária uma análise dos incentivos competitivos das empresas ativas e potenciais entrantes. Desta forma, este trabalho visa estudar os impactos na concorrência e no bem estar do consumidor em decorrência de mudanças estruturais na indústria de etanol no Brasil. À luz do arcabouço de análise de economia industrial, esta dissertação se concentrará nas motivações dos movimentos de verticalização e concentração das empresas, com foco nos seus potenciais aspectos anticompetitivos, tais como a possibilidade de fechamento de mercado, risco moral e aumento de barreiras à entrada.

Competitividade dos biocombustíveis no Brasil: uma comparação entre os principais biocombustíveis etanol e biodisel

As preocupações mundiais com o aquecimento global e os efeitos nocivos da utilização de combustíveis fósseis têm fomentado a busca por novos modelos energéticos, baseados em fontes limpas e renováveis, com destaque para os biocombustíveis. Sem menos importância, o esgotamento das reservas mundiais de matérias-primas fósseis, somado às instabilidades geopolíticas nas principais regiões produtoras, impulsionam, cada vez mais, o desenvolvimento destes novos modelos. Neste cenário, o Brasil tem papel de destaque. Líder mundial na produção e consumo de etanol à base de cana-de-açúcar, o país iniciou, em 2005, a inclusão de mais uma fonte de energia renovável em sua matriz energética: a mistura do biodiesel no diesel mineral. O presente trabalho tem como objetivo analisar a competitividade dos principais biocombustíveis brasileiros: o etanol e o biodiesel. Em primeiro lugar, estes produtos foram analisados quanto às suas principais características; em segundo, avaliou-se a competitividade econômica destes combustíveis frente a seus produtos substitutos diretos derivados do petróleo. Finalmente, foram analisados os benefícios (tangíveis e intangíveis) inerentes à utilização dos biocombustíveis, e como estes intangíveis deveriam ser precificados, como forma de atribuir um prêmio aos benefícios que trazem ao meio-ambiente e à sociedade. Esta dissertação pretende servir de base para uma avaliação mais profunda da real competitividade econômica dos biocombustíveis frente aos combustíveis derivados do petróleo, além de colocar em cheque as principais análises atuais e críticas sobre a utilização destes produtos. Além disso, o presente trabalho visa avaliar o potencial e as limitações da produção dos biocombustíveis no Brasil.

Análise prospectiva da utilização de uma usina como plataforma para uma biorefinaria

Este trabalho teve como objetivo verificar as possibilidades de utilização de uma usina de produção de etanol açúcar e energia elétrica como plataforma para implantação de uma biorefinaria. De forma prospectiva, foram avaliados os principais blocos de construção para o desenvolvimento de uma gama de produtos com base em matérias-primas açucaradas. Alguns destes produtos, como o ácido cítrico, a lisina e o sorbitol, já são fabricados a partir de biomassa no país. Devido ao baixo custo do açúcar de cana e da disponibilidade de fibra para geração de utilidades, as usinas se mostraram plataformas adequadas para anexar unidades para geração de produtos com maior valor agregado. A operação sazonal, entretanto, constitui um dos grandes empecilhos para a viabilização destes complexos, levando à necessidade de estocagem de combustível para operação anual das caldeiras, bem como para produção a estocagem de açúcar, melaço ou etanol como matérias-primas para os processos anexos. Fatores de competitividade, como economia de escala, escopo, diversificação, diferenciação e flexibilidade foram avaliados visando fornecer subsídio para escolha do tamanho de unidades e tipos de produtos e processos. A produção de 15.000 toneladas de cana por dia foi escolhida como módulo de produção eficiente para região de expansão. Esta escala se mostrou adequada para a produção dos produtos derivados de sacarose que atualmente são produzidos no Brasil. Entretanto, a integração da produção de eteno por rotas alcoolquímica à usina demanda unidades com capacidade de processamento acima de 30.000 toneladas de cana por dia. Para avaliação das premissas teóricas, foi realizado um estudo de caso de um complexo envolvendo a produção de etanol, açúcar, ácido cítrico, lisina, PHB e leveduras. A este complexo foi anexada uma unidade de extração de óleo de soja e uma planta de produção de biodiesel. A integração do complexo soja se mostrou viável sob o ponto de vista de suprimento de utilidades (vapor e energia elétrica) e produção de rações de farelo de soja com lisina e levedura. A produção de soja na reforma da área de cana apresenta benefícios de redução de custo de plantio, sendo uma alternativa de integração entre culturas energéticas e de alimentos. Esta produção, entretanto, é insuficiente para justificar a instalação de extratoras de soja anexas a usinas. A biorefinaria sugerida apresentou um valor presente líquido superior ao da instalação de uma usina autônoma utilizada como referência. Para futuros trabalhos foram sugeridos estudos de programação linear para as rotas de produção dos produtos intermediários e finais a partir dos blocos de construção identificados, a integração da biorefinaria com unidades de produção de proteína animal, com a cultura do sorgo e eucalipto. Esta integração tem como objetivo aumentar o fator de utilização dos equipamentos e possibilitar a inserção de tecnologias avançadas, por rotas de hidrólise e gaseificação além da produção de microalgas para melhor aproveitamento do CO2.

Estimação estocástica de parâmetros produtivos da soja uso do modelo PPDSO em um estudo de caso em Piracicaba/SP

O Brasil é o segundo produtor mundial de soja [Glycine max (L.) Merr.] e o sétimo de óleo vegetal. A produção brasileira desta oleaginosa alcançou 61 milhões de toneladas na safra 2007/08 e projeta-se, para 2020, produção de 105 milhões de toneladas. O consumo de biodiesel em 2008 representou um milhão de toneladas e a demanda por este biocombustível deverá atingir 3,1 milhões de toneladas em 2020. Para atender esta demanda haverá ampliação da área plantada principalmente na região Centro-Oeste, mas também exigirá esforços no aumento de produtividade. Visando melhor conhecimento das inferências das variáveis climáticas temperatura e radiação global sobre o desenvolvimento da soja e sua produtividade de grãos e óleo, foi proposto um modelo estocástico com distribuição normal truncada para os dados de temperatura máxima, mínima e média. Também foi incluído neste modelo distribuição triangular assimétrica para determinação da produtividade de óleo mais provável. Foram estipuladas oito datas de semeadura para a localidade de Piracicaba/SP onde está localizada a estação meteorológica da ESALQ/USP, fornecedora dos dados climáticos utilizados neste estudo. Conclui-se que: (i) ao longo das datas de semeadura houve redução do ciclo com o aumento da temperatura média; (ii) a redução do ciclo da cultura de soja interferiu nas produtividades de grãos e de óleo; (iii) a radiação global média nos trinta dias após a antese refletiram-se na partição de fotoassimilados e na produtividade de grãos e óleo; (iv) os modelos estocásticos podem ser utilizados para a previsão das produtividades de soja e óleo.