Caracterização fisiológica de leveduras fermentadoras de xilose | Physiological characterization of xylose-fermenting yeasts

A produção economicamente viável de etanol de segunda geração, depende principalmente de microrganismos capazes de fermentar a xilose, sendo o principal açúcar presente na fração hemicelulósica. A levedura Saccharomyces cerevisiae, não pode utilizar a xilose, uma vez que não possui transportador específico e os genes do metabolismo são expressos em baixos níveis. Neste sentido, as leveduras Spathaspora arborariae, Spathaspora passalidarum e Sheffersomyces stipitis, tornam-se promissoras para a fermentação industrial de hidrolisados lignocelulósicos, por naturalmente converterem de maneira eficiente xilose em etanol. O presente trabalho teve como objetivo caracterizar fisiologicamente essas linhagens e definir as melhores condições de fermentação. Foi realizado experimentos de fermentação em batelada com diferentes concentrações de xilose (4, 8 e 10%) e temperaturas (28, 32 e 35 °C). Posteriormente as melhores condições desta etapa para cada levedura, foram avaliadas em cofermentação com glicose (2 e 4%). O processo fermentativo foi realizado durante 70 horas, e amostras da cultura foram recolhidas para avaliação dos parâmetros cinéticos e fermentativos. Todas as leveduras crescem com velocidades similares em diferentes concentrações de açúcar, mostrando a tolerância a altas concentrações de xilose. Em relação às diferentes temperaturas avaliadas, S. arborariae, S. passalidarum e S. stipitis apresentam um bom crescimento em uma faixa de temperatura de 28 a 35°C. Ao avaliar o rendimento de etanol, S. arborariae apresentou o maior rendimento em 10% de xilose na temperatura de 28°C (27,6 g/L), S. passalidarum e S. stipitis apresentaram maior rendimento em 10% de xilose em 32°C (38,4 g/L e 37,8 g/L, respectivamente). Nos ensaios de cofermentação, estas leveduras consomem preferencialmente a glicose. A viabilidade celular não foi alterada durante as 70 horas de fermentação. A adição de HMF não representou efeito inibitório no crescimento destas leveduras, o furfural inibiu apenas o crescimento de S. arborariae, enquanto o ácido acético apresentou efeito inibitório para todas as leveduras. S. passalidarum cresceu em 6% de etanol, enquanto as demais não. S. passalidarum demonstrou ser promissora para a produção de etanol por produzir as maiores concentrações em um período curto de tempo e baixos rendimentos de xilitol e glicerol, em todas as condições avaliadas e por ser mais tolerante aos inibidores.

The economically viable production of second generation ethanol depends mainly on the ability of microorganisms to ferment xylose, the main sugar present in the hemicellulose fraction. Sacchamomyces cerevisiae cannot utilize xylose since it does not have any specific carrier, and the genes of xylose metabolism are expressed at low levels. In this regard, the yeasts Spathaspora arborariae, Spathaspora passalidarum and Sheffersomyces stipitis have been considered promising for industrial fermentation of lignocellulosic hydrolysates because they naturally convert xylose to ethanol efficiently. This study aimed to physiologically characterize these lines and set the best conditions for fermentation. Fermentation was performed in batch experiments with different xylose concentrations (4, 8 and 10%) and temperatures (28, 32 and 35 ° C). Then, the best conditions for each one of the yeasts were evaluated in co-fermentation with glucose (2 and 4%). The fermentation process was carried out for 70 hours and culture samples were collected for further evaluation of kinetic and fermentation parameters. All yeast strains grown at similar rates in the different sugar concentrations tested, showing tolerance to high concentrations of xylose. Spathaspora arborariae, Spathaspora passalidarum and Sheffersomyces stipitis had important development at 28 - 35 °C temperature range. To assess ethanol yield, S. arborariae showed the highest rate in 10% xylose concentration at 28 °C (27.6 g/L), while S. passalidarum and S. stipitis showed the highest yields in 10% xylose treatment, but at 32 °C (38.4 g/L and 37.8g/L, respectively). In the co- fermentation assays, these yeasts preferentially consume glucose. Cell viability was not affected during the 70 hour fermentations. The addition of 5-hydroxymethylfurfural did not present inhibitory effect on the yeasts development; furfural only inhibited S. arborariae growth, and acetic acid showed inhibitory effects in all yeasts. S. passalidarum grew in 6% ethanol, while the others did not. S. passalidarum showed to be promising for ethanol production because it had the highest ethanol concentration rates in a short period of time, showed low yields of xylitol and glycerol in all tested conditions, and proved to be more tolerant to inhibitors.

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