Otimização da hidrólise da casca de soja (glycine max) e avaliação da capacidade de produção de xilitol e etanol por microrganismos sobre este hidrolisado

Abstract

Resíduos lignocelulósicos agroindustriais, como a casca de soja, são fontes abundantes e de baixo custo para produção biotecnológica de compostos de alto valor agregado. É o caso da produção de xilitol e etanol. Esse processo biotecnológico promove um aproveitamento completo dos resíduos lignocelulósicos, utilizando as frações celulósica e hemicelulósica para a obtenção de commodities. O presente trabalho teve como objetivo otimizar a hidrólise ácida diluída utilizando como ferramenta o planejamento experimental e ampliar os conhecimentos sobre a produção biotecnológica de xilitol e etanol mediante o cultivo de microrganismos sobre o hidrolisado de casca de soja. A casca da soja mostrou-se um resíduo bastante promissor, já que o teor de lignina total encontrado nestas amostras foi menor que 10% e o teor de açúcares fermentescíveis foi de 65%. O primeiro planejamento experimental realizado baseou-se em um planejamento fatorial completo 23 com ponto central. O tratamento, cujas variáveis foram 122 °C, 8,8 g g-1 e 2 mmol H2SO4 g-1 SS, foi o que obteve melhores resultados no maior tempo de reação (40 min), liberando em torno de 6,3 g L-1 de xilose, 0,02 g L-1 de furfural, 0,07 g L-1 de hidroximetilfurfural e 1,5 g L-1 de glicose. A relação sólido-líquido (na faixa de 8,8 a 11,2 g g-1) não foi significativa para liberação de glicose e xilose, e um aumento no tempo de reação mostrou como tendência o aumento da liberação dos açúcares. Com base nos resultados deste primeiro planejamento, um segundo planejamento experimental foi realizado abrangendo apenas as variáveis significativas para liberação de açúcares (temperatura e concentração de ácido). O segundo planejamento experimental baseou-se em um planejamento composto central 22. A máxima solubilização dos açúcares (87% de eficiência) foi obtida em 153 °C e 1,8 mmol H2SO4 g-1, gerando cerca de 10 g L-1 total de tóxicos. Uma função objetivo foi elaborada a fim de limitar a formação de substâncias tóxicas (máximo de 4 g l-1) e maximizar a concentração dos açúcares. O melhor tratamento (59% de eficiência) foi de 118 °C e 2,8 mmol H2SO4 g-1 SS em 40 minutos. Após a otimização do tratamento de hidrólise foram realizados cultivos com o hidrolisado obtido no melhor tratamento do primeiro planejamento experimental, concentrado 4 vezes. Com relação à produção de etanol e xilitol, foram avaliados cultivos com consórcios e isolados microbianos. O consórcio contendo Zymomonas mobilis, Candida tropicalis e Candida guilliermondii, em condições anaeróbias, produziu 3,1 g L-1 e 2,2 g L-1 de etanol em 132 horas de cultivo sobre hidrolisado de casca de soja e meio sintético, respectivamente. Este consórcio, em condições microaerófilas, produziu 6,7 g L-1 de etanol (às 12 horas) e 2,3 g L-1 de xilitol (84 horas de cultivo) sobre o hidrolisado de casca de soja, e consumiu 100% dos açúcares presentes no cultivo sobre meio sintético sem a produção de etanol e xilitol. As leveduras C. guilliermondii e Debaryomyces hansenii, reconhecidas produtoras de xilitol foram testadas isoladamente sobre hidrolisado de casca de soja, em condições microaerófilas. C. guilliermondii produziu 1,4 g L-1 de etanol em 60 horas de cultivo e 3,6 g L-1 de xilitol em 120 horas de cultivo sobre hidrolisado de casca de soja. Em meio sintético houve a produção de aproximadamente 7 g L-1 de xilitol nas mesmas 120 horas. Não houve produção de etanol. D. hansenii produziu 8 g L-1 de xilitol em 24 horas de cultivo sobre hidrolisado de casca de soja. Em meio sintético não foi observada a produção de etanol e xilitol.

Lignocellulosic agro-industrial residues such as soybean hulls, are abundant supplies and low cost for the biotechnological production of compounds of high added value. This applies to the production of xylitol and ethanol. This biotechnological process promotes complete recovery of lignocellulosic residues, using the cellulose and hemicellulose fractions, to obtain commodities. This study aimed to optimize the diluted acid hydrolysis using an experimental design and increase knowledge about the biotechnological production of xylitol and ethanol through the cultivation of microorganisms on the hydrolyzate of soybean hulls. Soybean hull showed a residue very promising, since the total lignin content found in these samples was less than 10% and the content of fermentable sugars was 65%. The first experimental design was carried out in a full factorial design 23. The treatment (122 °C, 8.8 g g-1 and 2 mmol H2SO4 g-1 DM), which was out-performed the larger reaction time (40 min), released about 1.5 g L-1, 6.3 g L-1, 0.02 g L-1 and 0.07 g L-1 of glucose, xylose, furfural and hydroxymethylfurfural, respectively. The solid-liquid ratio (range of 8.8 to 11.2 g g-1) was not significant for the release of glucose and xylose, and an increase in reaction time showed a trend increase in the release of sugars. Based on the results of this first design, a second experimental design was carried out covering only the significant variables for the release of sugars (temperature and concentration of acid). The second experimental design was based on a central composite design 22. The maximum solubilization of sugars (87% efficiency) was obtained at 153 °C and 1.8 mmol H2SO4 g-1 DM, generating about 10 g L-1 of total toxic. An objective function was developed to minimize the formation of toxic substances and maximize the concentration of sugars, which was limited to 4 g L-1 the sum of toxic. The best treatment (59% efficiency) was 118 °C and 2.8 mmol H2SO4 g-1 DM in 40 minutes. After hydrolysis optimization, assays with microorganisms were carried out in the best hydrolyzate of the first experimental design, concentrated 4 times. The production of ethanol and xylitol were evaluated with isolated microbial crops and co-cultures. The consortium containing Zymomonas mobilis, Candida tropicalis and Candida guilliermondii, under anaerobic conditions, produced 3.1 g L-1 and 2.2 g L-1 ethanol (132 hours of culture) on hydrolyzate of soybean hulls and synthetic medium, respectively. Co-culture, under microaerophilic conditions, produced 6.7 g L-1 ethanol (12 hours) and 2.3 g L-1 of xylitol (84 hours) on the hydrolysate, and consumed 100% of sugars present in cultivation on synthetic medium without the production of ethanol and xylitol. Yeast C. guilliermondii and Debaryomyces hansenii, recognized producing xylitol were tested separately on hydrolyzate of soybean hulls, under microaerophilic conditions. C. guilliermondii produced 1.4 g L-1 of ethanol in 60 hours of culture and 3.6 g L-1 of xylitol in 120 hours of culture on hydrolyzate of soybean hulls. Synthetic medium was the production of approximately 7 g L-1 of xylitol on the same 120 hours. There was no production of ethanol. D. hansenii produced 8 g L-1 of xylitol in 24 hours of cultivation on hydrolyzate of soybean hulls in synthetic medium ethanol and xylitol were not produce.