Produção de etanol celulósico por Spathaspora passalidarum a partir do bagaço de cana-de-açúcar: estratégia para melhorar fermentabilidade e estudo do perfil metabólico durante fermentação de hidrolisado hemicelulósico

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Lima, Cleilton Santos
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Spathaspora passalidarum; Alkaline deacetylation; Bioetanol; bioethanol; desacetilação alcalina; inhibitors; inibidores; metabolômica; metabolomics
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/97/97131/tde-29012020-154552/

O presente trabalho teve como objetivo principal alcançar progressos científicos no processo de produção de etanol celulósico a partir do bagaço de cana-de-açúcar, utilizando a estratégia de desacetilação alcalina para melhorar a fermentabilidade do hidrolisado hemicelulósico e a metabolômica como ferramenta para avaliar a influência dos inibidores durante conversão dos açúcares a etanol por Spathaspora passalidarum. Além disso, foi também objetivo dessa tese avaliar as alterações químicas e morfológicas em bagaço e palha de cana-de-açúcar durante etapa de otimização das condições alcalinas. As etapas de desacetilação (NaOH) do bagaço e da palha de cana-de-açúcar foram executadas em escala laboratorial com delineamento experimental 23, variando as concentrações de NaOH (0,1; 0,4 e 0,7 %), temperatura (55, 70 e 85 °C) e tempo (1, 3 e 5 h), sendo avaliado rendimento, composição química e parâmetros nanoestruturais na biomassa. Posteriormente, a condição otimizada de desacetilação (0,4 % m/v NaOH, 70 °C, 3 h), apenas do bagaço, foi executada em escala piloto no LNBR e em seguida pré-tratado em ácido diluído (0,5 % v/v H2SO4, 140 °C, 15 min) para obtenção do hidrolisado hemicelulósico. Seguidamente, foram realizadas as fermentações dos hidrolisados hemicelulósicos em biorreator com S. passalidarum e avaliação da influência dos inibidores durante conversão dos acúcares a etanol com metabolômica. Quanto aos resultados em escala laboratorial, o tratamento alcalino removeu 90 % dos grupos acetilas e entre 20-30 % da lignina do bagaço e da palha, enquanto que a remoção de 20 % de xilana e de glucana é observada apenas na palha, mas não no bagaço. Considerando as alterações em nanoescala, nem a cocristalização da celulose, nem a formação de agregados de lignina são observados após os tratamentos alcalinos. Além disso, a termoporometria calorimétrica, bem como as microscopias eletrônicas de varredura e de transmissão, mostraram uma notável abertura dos poros em nanoescala e o afrouxamento das estruturas da parede celular e consequentemente dos tecidos. A etapa de desacetilação alcalina do bagaço de cana antes do pré-tratamento em ácido diluído resultou no aumento de 12 vezes na produção de etanol a partir de hidrolisado hemicelulósico (1,3-18,0 g.L-1) e melhora de 16 % na digestibilidade enzimática da glucana. Além disso, análises com metabolômica em S. passalidarum durante 12 horas de fermentação de hidrolisado hemicelulóliso relataram drásticas mudanças no metabolismo dos aminoácidos e das purinas, redução de fluxo na via das pentoses, glicólise e menores níveis de intermediários do ciclo de krebs, como resposta celular aos múltiplos inibidores. Ademais, os inibidores promoveram uma resposta global no metabolismo, afetando a homeostase energética e balanço redox, traduzidos nos menores níveis de ATP e NADPH. Em última análise, essa tese contribuiu com conhecimento sobre o contraste em nível químico e morfológico entre palha e bagaço de cana, obtenção de hidrolisado fermentescível sem necessidade de etapa clássica de detoxificação e com glucana mais digerível; assim como, a compreensão geral da influência dos inibidores durante produção de etanol por S. passalidarum.