Fermentação de açúcares obtidos de polissacarídeos da biomassa resídual de biorrefinaria de microalgas

Abstract

RESUMO: A biomassa microalgal é uma alternativa para aumentar a produção de bioetanol, principalmente a biomassa residual da extração de ácidos graxos (BREAG) de microalgas que pode ser obtido de uma biorrefinaria de biodiesel de microalgas. Se este processo se tornar realidade irá gerar de 75 a 80 % de resíduos, em relação à biomassa que entra na produção, que deverão ser destinados corretamente. Assim, o estudo do processo de obtenção de monossacarídeos fermentescíveis da BREAG de microalgas Chlorella vulgaris permite aumentar a produção de bioetanol e os lucros da biorrefinaria de microalgas. A BREAG foi caracterizada quanto ao seu conteúdo de umidade, cinzas, carboidratos totais (CHO), açúcar redutor total (ART), lipídeos totais e pigmentos totais. A otimização da extração dos carboidratos presentes na BREAG utilizando um delineamento composto central rotacional permitiu a construção de modelos que indicaram a extração de 100 % dos carboidratos na hidrólise ácida; 90,3 % dos carboidratos na hidrólise alcalina; 89,4 % dos carboidratos na hidrólise física (ultrassom) e 99,2 % dos ART na hidrólise enzimática. Os extratos hidrolisados empregando as condições ótimas de reações foram caracterizados quanto a concentração de CHO, ART, proteínas, ácido urônico e monossacarídeos. Foram determinados no extrato CHO_AC 0,29 g g-1 de CHO; 0,11 g g-1 de ART; 0,03 g g-1 de proteínas; 0,01 g g-1 de ácido urônico e 10,5 mg g-1 de monossacarídeos; no extrato CHO_AL 0,27 g g-1 de CHO; 0,02 g g-1 de ART; 0,11 g g-1 de proteínas; 0,01 g g-1 de ácido urônico e 2,9 mg g-1 de monossacarídeos; no extrato CHO_US 0,25 g g-1 de CHO; 0,02 g g-1 de ART; 0,14 g g-1 de proteínas; 0,01 g g-1 de ácido urônico e 0,8 mg g-1 de monossacarídeos; e no extrato CHO_EZ 0,09 g g-1 de ART; 0,24 g g-1 de proteínas; 0,04 g g-1 de ácido urônico e 128,1 mg g-1 de monossacarídeos. Na composição de monossacarídeos, foram identificados nos extratos CHO_AC; CHO_AL e CHO_EZ: arabinose, fucose, galactose, glucose, manose, ramnose e xilose; no extrato CHO_US: arabinose, fucose e ramnose. Em relação a formação de compostos inibidores da fermentação os extratos produzidos não geraram furfural nem HMF. Como o extrato CHO_AL apresentou uma porcentagem de glucose e galactose muito pequena e o extrato CHO_US nula estes não foram empregados na fermentação. Os extratos CHO_AC e CHO_EZ foram fermentados utilizando a levedura Saccharomyces cerevisiae durante 24 h a 29 °C. A fermentação do extrato CHO_AC produziu 2,44 g L-1 de bioetanol a partir de 6,23 g L-1 de substrato (glucose e galactose), com uma eficiência de 91 % na produção de bioetanol. Para o extrato CHO_EZ houve uma inibição do desenvolvimento da levedura e após a adaptação desta ao meio os monossacarídeos disponíveis foram suficiente para produzir 0,31 g L-1 de bioetanol. Conclui-se, portanto, que BREAG da microalga C. vulgaris contém açúcares que podem ser fermentados a bioetanol pela levedura S. cerevisiae com eficiência superior à obtida na fermentação com glucose

ABSTRACT: Microalgal biomass is an alternative to increase bioethanol production, mainly residual biomass from fatty acid extraction (BREAG) from microalgae that can be obtained in microalgae biodiesel biorefinery. If this process becomes a reality it will generate 75 to 80% of waste, in relation to the biomass that goes into production, which must be properly disposed. Thus, studying the process of obtaining fermentable monosaccharides of BREAG from microalgae Chlorella vulgaris allows to increase the production of bioethanol and the profits of the microalgae biorefinery. BREAG was characterized in terms of moisture content, ash, total carbohydrates (CHO), total reducing sugar (ART), total lipids and total pigments. The optimization of the carbohydrates extraction present in BREAG using a central rotational composite design allowed the construction of models that indicated the extraction of 100% of carbohydrates in acid hydrolysis; 90.3% of carbohydrates in alkaline hydrolysis; 89.4% of carbohydrates in physical hydrolysis (ultrasound) and 99.2% of ART in enzymatic hydrolysis. The hydrolyzed extracts employing the optimal reaction conditions were characterized as to the concentration of CHO, ART, proteins, uronic acid and monosaccharides. Was determined in the CHO_AC extract 0.29 g g-1 of CHO; 0.11 g g-1 of ART; 0.03 g g-1 of proteins; 0.01 g g-1 of uronic acid and 6.6 mg g-1 of monosaccharides; in CHO_AL extract 0.27 g g-1 of CHO; 0.02 g g-1 of ART; 0.11 g g-1 of proteins; 0.01 g g-1 of uronic acid and 1.6 mg g-1 of monosaccharides; in the CHO_US extract 0.25 g g-1 of CHO; 0.02 g g-1 of ART; 0.14 g g-1 of proteins; 0.01 g g-1 of uronic acid and 0.8 mg g-1 of monosaccharides; and in the CHO_EZ extract 0.09 g g-1 of ART; 0.24 g g-1 of proteins; 0.04 g g-1 of uronic acid and 75.7 mg g-1 of monosaccharides. In monosaccharides composition, were identified to the extracts CHO_AC; CHO_AL and CHO_EZ: arabinose, fucose, galactose, glucose, mannose, rhamnose and xylose; in the extracts CHO_US arabinose, fucose and rhamnose. Regarding the formation of fermentation inhibiting compounds, the extracts did not generate furfural or HMF. As the CHO_AL extract had a very small percentage of glucose and galactose and the CHO_US extract null, these were not used in fermentation. The CHO_AC and CHO_EZ extracts were fermented using the yeast Saccharomyces cerevisiae for 24 h at 29 °C. The CHO_AC extract fermentation produced 2.44 g L-1 of bioethanol from 6.23 g L-1 of substrate (glucose and galactose), with a 91% efficiency in the production of bioethanol. For the CHO_EZ extract there was an inhibition of yeast development and after adapting it to the medium, the available monosaccharides were sufficient to produce 0.31 g L-1 of bioethanol. It is concluded, therefore, that BREAG of the microalgae C. vulgaris contains sugars that can be fermented in bioethanol by the yeast S. cerevisiae with efficiency superior to that obtained in the fermentation with glucose