Oleaginous yeasts for biodiesel : study on the single cell oil production from low cost subtrates

Orientador: Prof. Dr. Carlos Ricardo Soccol.Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa : Curitiba, 27/10/2017.Inclui referências: p. 138-172.Resumo: O presente trabalho foi dividido em três capítulos, a primeira parte do trabalho foi uma revisão da literatura sobre o biodiesel, resíduos agroindustriais (melaço de cana e cachos vazios dos frutos secos da palma (Elaeis guinensis)) e sobre o potencial de microrganismos oleaginosos. No primeiro capítulo, avaliamos a capacidade de 140 cepas isoladas de leveduras por acumulação de lipídios de diferentes ambientes, coletadas no Estado do Paraná, Brasil. No screening revelou sete cepas que foram identificados como potenciais produtores de lipídios. Verificou-se que PPGEBB115 acumulou o maior teor de lipídios, até 32,06%. Entre as cepas testadas R. glutinis, teve a melhor produtividade lipídica, 0,456 g/L/dia. Além disso, 4 leveduras isoladas foram avaliadas em glicose, xilose, glicerol, melaço de cana de açúcar e hidrolisado dos cachos vazios dos frutos secos (OPEFB), R. glutinis apresentaram melhor produtividade (0,48 g/L/dia) utilizando o melaço de cana e R. mucilaginosa apresentaram melhor produtividade de 0,24 g/L/dia de hidrolisado de OPEFB, o teor de lipídios foi 33,04% e 17,80%, respectivamente. Os resultados mostram que as leveduras isoladas podem ser candidatos promissores para a produção de óleo. No capítulo dois, a utilização do hidrolisado de OPEFB como substrato para a produção de óleo foi estudado. O hidrolisado tem pentoses (21,19 g/L) e hexoses (0,72 g/L), juntamente com outros produtos de degradação tais como ácido acético, ácido fórmico, furfural e furfural hidroximetil (HMF). Os estudos indicaram que o hidrolisado detoxificado com carvão ativado, apresentam uma diminuição considerável de concentração dos compostos inibidores, reduzindo 91,52% de HMF, 92,63% de furfural, 33,48% de ácido acético e 14,48% de ácido fórmico. Usando o hidrolisado apresentou um crescimento e produção de lipídios de R. mucilaginosa com 5,11 g/L e 17,26%, respectivamente. R. mucilaginosa cresceram bem com hidrolisado destoxificado num reator por lotes de 10 L, com uma relação C/N de 19,85, obteve um rendimento de lipídios e teor de lípidos atingido 1,78 g/L e 14,62%, respectivamente. Foi estudado o cultivo de alta densidade celular com estratégia de alimentação de nitrogênio em dois estágios para melhorar a concentração lipídica e conteúdo lipídico, obtendo-se 4,85 g/L e 19,75%. E o último capítulo, o melaço de cana foi utilizado como substrato para a produção de lipídios utilizando R. glutinis. A adição de extrato de levedura com sulfato de amônio e Tween 20 aumentou em 27% o acúmulo de lipídios. A condição ótima utilizando a metodologia de superfície de resposta (MRS) para obter máxima concentração de lipidios foi com uma concentração de melaço de 5,83 % e 1,78 g/L de sulfato de amônio, durante 6 dias. A produção de lipídios foi melhorada num bioreator de tanque agitado com pH de 5,5, taxa de aeração de 1,5 vvm e 1,5 g/L com Tween 20. Na fermentação descontínua, foi possível obter uma produção de biomassa de 27,95 g/L, um conteúdo lipídico celular de 60,94% e 3,40 g/L/dia de produtividade lipídica.Abstract: The present work was divided into three chapters, the first part of which was a review of the literature on biodiesel, agroindustrial residues (sugarcane molasses and empty palm nuts (Elaeis guinensis)) and on the potential of oleaginous microorganisms. In the first chapter, we evaluated the capacity of 140 strains isolated from yeasts by the accumulation of lipids from different environments, collected in the State of Paraná, Brazil. In the screening revealed seven strains that were identified as potential producers of lipids. It was found that PPGEBB115 accumulated the highest lipid content, up to 32.06%. Among the tested strains R. glutinis had the best lipid productivity, 0.456 g / L / day. In addition, 4 isolated yeasts were evaluated in glucose, xylose, glycerol, sugarcane molasses and hydrolysates of the dried fruit bunches (OPEFB), R. glutinis presented better productivity (0.48 g/L/ day) using sugarcane molasses and R. mucilaginose presented better productivity of 0.24 g / L / day of OPEFB hydrolyzate, the lipid content was 33.04% and 17.80%, respectively. The results show that isolated yeasts may be promising candidates for oil production. In chapter two, the use of the OPEFB hydrolyzate as a substrate for oil production was studied. The hydrolyzate has pentoses (21.19 g / L) and hexoses (0.72 g / L) along with other degradation products such as acetic acid, formic acid, furfural and furfural hydroxymethyl (HMF). The studies indicated that the hydrolyzate detoxified with activated carbon showed a considerable decrease in the concentration of the inhibitor compounds, reducing 91.52% HMF, 92.63% furfural, 33.48% acetic acid and 14.48% formic. Using the hydrolyzate presented growth and production of lipids of R. mucilaginose with 5.11 g / L and 17.26%, respectively. R. mucilaginose well grown with detoxified hydrolyzate in a 10 L batch reactor with a C / N ratio of 19.85 yielded a lipid yield and lipid content reached 1.78 g / L and 14.62%, respectively. High-density cell culture was studied with a two-stage nitrogen feed strategy to improve lipid content and lipid content, obtaining 4.85 g / L and 19.75%. And the last chapter, cane molasses was used as a substrate for the production of lipids using R. glutinis. The addition of yeast extract with ammonium sulfate and Tween 20 increased the accumulation of lipids by 27%. The optimum condition using the surface response methodology (MRS) to obtain maximum lipid concentration was with a concentration of molasses of 5.83% and 1.78 g / L of ammonium sulfate for 6 days. The lipid production was improved in a stirred tank bioreactor having a pH of 5.5, aeration rate of 1.5 vvm and 1.5 g / L with Tween 20. In the batch fermentation, it was possible to obtain a biomass production of 27 , 95 g / L, a lipidic content of 60.94% and 3.40 g/L/ day of lipid productivity, that is, under the conditions studied, increase biomass production by 5 times and increase the accumulation of lipids from of a native yeast isolated from soil