Study of immobilized Saccharomyces cerevisiae cells in supports for alcoholic fermentation

A utilização de sistemas empregando células de levedura imobilizadas é uma técnica promissora para a produção de etanol. Este trabalho apresenta a proposta de imobilizar células de Saccharomyces cerevisiae em montmorilonita K10, em óxido de zircônio, em esferas de alginato de cálcio e em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana, utilizando glicose e sacarose como fontes de carbono, a fim de observar o comportamento destas células nestes suportes. Estudos nesta área têm demonstrado que células imobilizadas apresentam maior resistência a variações de temperatura, atividade, concentração de substratos e metabólitos, além de um alto rendimento para fermentação alcoólica. A montmorilonita K10, o alginato de sódio e a quitosana que foram utilizados nos estudos tiveram origem comercial, enquanto que o óxido de zircônio foi sintetizado e caracterizado através de Difração de Raios-X (DRX) e área superficial B.E.T. (Brunauer, Emmet e Teller). Células de Saccharomyces cerevisiae liofilizada não aderiram aos suportes sólidos (montmorilonita K10, óxido de zircônio e óxido de zircônio com superfície modificada). Já a cepa JAY 270 de Saccharomyces cerevisiae foi imobilizada com sucesso em esferas de alginato de cálcio e em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana. Estudos de fermentação em regime batelada foram conduzidos em shaker orbital para avaliação da produção de etanol, estabilidade, rendimento, taxa de consumo de substratos e taxa de produção de produto. O comportamento destes sistemas foi avaliado através de dados de concentração de substrato e produto em equipamento de HPLC (High-Performance Liquid Chromatograph). A imobilização celular em esferas de alginato de cálcio e em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana permitiu a reutilização das esferas durante oito ciclos de fermentação de aproximadamente 10 horas cada. A produção de etanol para células livres foi 40 g/L e o rendimento foi de 78% e 74,3% utilizando a glicose e a sacarose como fontes de carbono, respectivamente. Para as células imobilizadas em esferas de alginato de cálcio, utilizando a glicose como fonte de carbono, a produção de etanol foi de 33 g/L e o rendimento foi de 64,6 %, utilizando a sacarose, a produção de etanol foi de 33 g/L e o rendimento foi de 61,3%. Para as células imobilizadas em esferas de alginato de cálcio revestidas com quitosana, utilizando a glicose como fonte de carbono, a produção de etanol foi de 31 g/L e o rendimento foi de 60,7 % e utilizando a sacarose, a produção de etanol foi de 32 g/L e o rendimento foi de 59,5%.The use of immobilized yeast cells in supports systems is a promising technique for the ethanol production. This work proposes to immobilize Saccharomyces cerevisiae cells in montmorillonite K10, zirconium oxide, calcium alginate beads and chitosan covered calcium alginate beads, using glucose and sucrose as carbon sources, in order to observe the behavior of these cells in these media. Studies in this area have demonstrated that immobilized cells are more resistant to temperature, activity, concentration of substrates and metabolites, and a high yield for ethanol fermentation. The montmorillonite K10, sodium alginate and chitosan have been used in the studies had commercial origin, while the zirconium oxide was synthesized and characterized by X-ray Diffraction (XRD) and B.E.T. surface area (Brunauer, Emmet and Teller). Liofilized Saccharomyces cerevisiae did not adhere to solid supports (K10 montmorillonite, zirconium oxide and modified surface zirconium oxide). Since the strain of Saccharomyces cerevisiae, JAY 270, was successfully immobilized in calcium alginate beads and in chitosan covered calcium alginate beads. Studies under batch fermentation were conducted in orbital shaker for evaluation of ethanol production, stability, efficiency, substrate consumption rate and the product production rate. The behavior of these systems was assessed using concentration data of substrate and product in the HPLC equipment (High-performance liquid chromatography). The cell immobilization in calcium alginate beads and chitosan covered calcium alginate beads allowed reusing of the beads during fermentation of eight cycles every 10 hours. The production of ethanol to free cells was 40 g/L and 78% and 74.3% yield using the glucose and sucrose as carbon sources, respectively. For immobilized cells in calcium alginate beads, ethanol production was 33 g/L and 64.6% yield and 33 g/L and 61.3% yield, using glucose and sucrose, respectively. For immobilized cells in chitosan covered calcium alginate beads, ethanol production was 31 g/L and 60.7% yield and 32 g/L and 59.5% yield, using glucose and sucrose, respectively