AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE ETANOL POR Pleurotus sajorcaju
K. R. PACHECO, M. L. L. da SILVEIRA, E. WISBECK, M. B. CHAVES, J. R. RAMPINELLI, O.
SOUZA, S. A. FURLAN e R. M. M. GERN
Universidade DA Região de Joinville, Departamento de Engenharia Química
E-mail para contato: rgern@univille.br
RESUMO – Esforços significativos têm sido feitos para produzir etanol a partir de
biomassa lignocelulósica. Os fungos do gênero Pleurotus são reconhecidos por
produzirem enzimas lignocelulolíticas que os habilitam a degradar a lignina e a celulose
dos resíduos agroindustriais. Este trabalho avaliou o consumo de diferentes açúcares
(glicose, xilose e sacarose) e do pseudocaule de bananeira, bem como a produção de
etanol por Pleurotus sajor-caju. Os fatores de conversão de substrato total em etanol
foram de 0,02; 0,1 e 0,04 g.g-1 para os processos em anaerobiose, aerobiose e global,
respectivamente. Quando o pseudocaule de bananeira foi utilizado como fonte de carbono,
9,77 g.L-1 de açúcares totais foram consumido e 0,87 g.L-1 de etanol produzidos,
resultando em um fator de conversão de substrato em produto de 0,09 g.g-1. Os resultados
indicam que, embora haja a produção de etanol por P. sajor-caju, novos experimentos
devem ser realizados de forma a investigar o favorecimento de rotas metabólicas e a
condução do processo que visem otimizar a produção deste composto.
1. INTRODUÇÃO
Esforços significativos têm sido realizados para produzir etanol a partir de biomassa
lignocelulósica como os resíduos agroindustriais (Bothast e Saha, 1997). De acordo com Chandel et
al. (2007) o etanol produzido a partir de biomassa fornece benefícios ambientais, econômicos e
estratégicos únicos e pode ser considerado como uma alternativa de combustível seguro e limpo em
relação aos combustíveis fósseis. Há uma abundância de biomassa lignocelulósica em todo o mundo
que pode ser explorada para a produção de bioetanol. No entanto, embora avanços significativos
tenham sido feitos em escala de bancada para a geração de bioetanol a partir de lignocelulose, ainda
existem obstáculos técnicos e econômicos apresentados à produção de bioetanol em escala comercial.
Joshi et al. (2011) afirmam que a diminuição nos custos de produção poderá ser obtida por meio do
melhoramento do processo de pré-tratamento do material lignocelulósico, da eficácia da hidrólise
enzimática por meio da busca de enzimas mais eficientes, do desenvolvimento de processos
fermentativos mais eficientes, como o chamado CBP (Bioprocesso Consolidado) no qual a produção
de celulase, a hidrólise do substrato e a fermentação são acoplados em uma única etapa e em um
único reator (Mizuno et al., 2009a), e do desenvolvimento de tecnologias de recuperação do etanol e
remoção dos subprodutos tóxicos.
Área temática: Processos Biotecnológicos
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Micro-organismos que degradam rapidamente restos orgânicos, como fungos, são grandes
candidatos a serem usados, em escala comercial, como produtores de enzimas que degradam material
lignocelulósico (Simões, 2013). Embora o uso de fungos da classe dos basidiomicetos para a
produção de bioetanol não seja explorado, recentemente, trabalhos vêm reportando a habilidade
desses fungos no pré-tratamento de material lignocelulósico para posterior processo de fermentação
para produção de etanol (Wan e Li, 2012; Wan e Li, 2010); na produção direta de etanol a partir de
açúcares simples (monossacarídeos), oligossacarídeos e de biomassa lignocelulósica (Mizuno et al.,
2009 a, b; Okamoto et al., 2011; Kamei et al., 2012); ou na sacarificação e fermentação simultâneas
(SSF) (Itoh et al., 2003). Os fungos do gênero Pleurotus são basidiomicetos reconhecidos por
produzirem enzimas lignocelulolíticas que os habilitam a degradar facilmente a lignina e celulose da
madeira, assim como outros substratos vegetais e resíduos agroindustriais utilizados para o seu cultivo
(Bononi et al., 1991; Capelari, 1996; Bonatti et al., 2004).
Segundo dados da EPAGRI/CEPA (2008), Santa Catarina é o terceiro maior produtor nacional de
banana, com uma área plantada de 31.321 hectares e uma produção de 707.683 ton. De acordo com
dados EMBRAPA (2008), para cada tonelada de banana industrializada, aproximadamente 3
toneladas de pseudocaule são gerados (Souza et al., 2010). Gonçalves Filho (2011) caracterizou o
pseudocaule da bananeira Musa cavendischii, cultivada comercialmente no Estado de Santa Catarina
encontrando, em base seca, 8,1±2,1% de lignina, 44,0±2,0% de celulose e 16,5±3,5% de
hemicelulose. De acordo com estes dados, o autor concluiu que o pseudocaule apresenta potencial
para ser utilizado como substrato da fermentação alcoólica.
Sendo assim, este trabalho avaliou o consumo de diferentes açúcares e do pseudocaule de
bananeira, bem como, a produção de etanol por Pleurotus sajor-caju.
2. MATERIAL E MÉTODOS
O inóculo foi preparado em um meio de cultivo contendo 5 g de extrato de levedura e 40 g de
glicose, dissolvidos em 1L de extrato de trigo (Gern et al., 2008. Dois frascos de Erlenmeyer de 125
mL contendo 40 mL do meio de cultivo foram inoculados com o micélio de Pleurotus sajor-caju
contido em uma placa de Petri, obtido do Centro de Cultivo de Basidiomicetos da USP sob o código
CCB 019. Os frascos foram incubados a 30ºC e 120 min-1, por 7 dias.
Os experimentos foram conduzidos em garrafa de Duran de 2 L contendo 400 mL do meio de
cultivo descrito acima, acrescido da fonte de carbono a ser avaliada (xilose, glicose, sacarose ou
pseudocaule de bananeira) na concentração de 20 g.L-1. O pseudocaule foi prensado em prensa
hidráulica para retirar a fração líquida, seco em estufa de ventilação forçada a 60ºC por 20 horas,
triturado em triturador forrageiro ajustado para obtenção de partículas com tamanho máximo de 5 mm
e moído a pó em grau e pistilo (Maia, 2013). O meio foi esterilizado (1,5 atm, 120oC, 15 min) e
inoculado com 40 mL do inóculo. O oxigênio presente no meio foi arrastado por meio de um fluxo de
N2 e o fungo foi incubado a 120 min-1, a 30oC, por 14 dias, em anaerobiose. Amostras de 5 mL foram
retiradas em 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 e 14 dias de cultivo. Após a retirada da amostra do 14º dia de cultivo,
permitiu-se a passagem do oxigênio através de um filtro de membrana com 0,22 µm de diâmetro de
poro. Uma nova amostra foi retirada no 21º dia de cultivo. As amostras foram centrifugadas a 5220 g,
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por 10 min. O sobrenadante foi congelado para posterior análise do consumo de substrato e produção
de etanol.
A concentração de etanol foi determinada por cromatografia gasosa utilizando a coluna HP-1
com fase estacionária 100% de dimetil polisiloxano. O gás de arraste utilizado foi hélio, com fluxo de
2,2 mL.min-1. As temperaturas de injeção e detecção foram de 280 e 290°C, respectivamente, com
temperatura do forno inicialmente a 60°C permanecendo por 2 min após os quais a temperatura foi
aumentada em uma velocidade de 10°C/min-1, até 100°C, aumentando para 20°C/min até atingir
150°C, e 30°C/min até 300°C, permanecendo por 2 min. O volume de amostra injetada foi de 1 µL.
Os carboidratos glicose, sacarose e xilose foram determinados por cromatografia líquida de alta
eficiência (HPLC, Merck Hitachi modelo D-7000) empregando o detector de índice de refração Merk
RI-71 e coluna Ca Supelco 30 cm e água ultra pura como eluente, com vazão de 0,4 mL.min-1, a 65ºC.
Os açúcares totais foram determinados pelo método do fenol-sulfúrico (Dubois et al., 1956).
Sobre 0,5 mL de amostra foram adicionados 0,5 mL de fenol a 4% e 2,5 mL de ácido sulfúrico
concentrado. A presença de açúcares é visualizada pelo aparecimento de coloração alaranjada, sendo
a intensidade de cor relacionada à concentração de açúcares, medida em espectrofotômetro a 490nm.
O fator de conversão de substrato em etanol para o experimento que avaliou a cinética de
consumo de substrato e produção de etanol nos meios contendo as diferentes fontes de carbono foi
definido em três momentos do processo: a) considerando somente o processo em anaerobiose, no qual
o tempo total de cultivo foi de 14 dias; b) considerando somente o processo em aerobiose, iniciado no
14º dia de cultivo e finalizado no 21º dia; c) considerando o processo global (anaerobiose + aerobiose)
no qual o tempo total de cultivo foi de 21 dias.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 apresenta a cinética de produção de etanol e consumo de substrato nos meios
contendo diferentes fontes de carbono.
Figura 1 - Cinética de produção de etanol e consumo dos substratos sacarose, glicose, xilose e
frutose por P. sajor-caju. Os resultados representam a média de duplicatas ± erro padrão.
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Para o cálculo das concentrações de açúcares apresentadas na Figura 1 foram consideradas as
áreas percentuais dos picos obtidos no cromatograma para os açúcares sacarose, glicose e xilose em
relação à área total dos picos. No entanto, o cromatograma também apresentou um pico relativo à
frutose, mesmo sem esse açúcar ter sido adicionado ao meio. Isso pode ser explicado se
considerarmos que parte das moléculas de sacarose podem ter sido hidrolisadas pela alta temperatura
(121ºC) e pressão (1 atm) no momento da esterilização do meio de cultivo (Nolasco e Massaguer,
2006). Este fato também explicaria a presença de 25 g.L-1 (Figura 1) de glicose ao invés dos 20 g.L-1
adicionados ao meio no tempo inicial de cultivo. Observando ainda a Figura 1 percebe-se o consumo
de 5 g.L-1 de glicose e 4,5 g.L-1 de xilose até o 20 dia de cultivo. Este valor se mantém constante até o
140 dia, quando inicia-se o processo em aerobiose. A partir de então, observa-se novamente o
consumo de glicose da ordem de 4 g.L-1. Os demais açúcares não foram significativamente
consumidos.
Quanto ao etanol, detectou-se a concentração de 0,31 g.L-1 no início do cultivo, provavelmente
proveniente do inóculo. Essa concentração se manteve constante até o 12º dia de cultivo, quando
aumentou para 0,56 g.L-1. e é mantida até o 14º dia, início do período em aerobiose. Do 14º ao 21º dia
(período em que o processo foi conduzido em aerobiose), a concentração de etanol tem um aumento
de aproximadamente 85%, chegando a 1,02 g.L-1.
A Tabela 1 apresenta a concentração de açúcar consumido e os fatores de conversão de
substrato em etanol, em diferentes fases do processo. Observando os resultados, percebe-se um baixo
percentual de consumo de açúcar tanto em anaerobiose como em aerobiose. Vários autores estudaram
o consumo de açúcares por fungos do gênero Pleurotus em aerobiose. Wisbeck et al. (2005)
avaliaram o efeito da concentração de glicose na produção de exopolissacarídeos por P. ostreatus e
obtiveram 100% de consumo quando 40 g.L-1 foram utilizados. Gern et al. (2008) avaliando fontes de
nitrogênio e a concentração de glicose para o cultivo de P. ostreatus, no mesmo meio de cultivo base
utilizado nesse trabalho, observaram que, partindo de 20 g. L-1 desse substrato, 100% de consumo era
obtido. O mesmo foi observado por Bonatti (2011) utilizando P. sajor-caju. Nesse trabalho,
considerando o processo global, o consumo de glicose obtido foi de 9,74 g.L-1 (38,5%). Observa-se,
ainda, que a glicose é consumida em ambas as fases do processo (anaerobiose e aerobiose) enquanto
que a xilose é consumida apenas em anaerobiose. Este baixo consumo pode ser explicado pela
ausência de oxigênio no meio de cultivo mantida durante 14 dias no processo. No entanto, a
anaerobiose foi adotada como forma de condução do processo por ser essa a condição que leva a
produção de etanol. Observou-se nesse trabalho que, embora com o metabolismo praticamente
estacionado, P. sajor-caju foi capaz de recuperar o consumo de açúcar após retorno do processo em
condições de aerobiose. Embora os fatores de conversão de substrato em produto tenham sido
avaliados individualmente (Tabela 1), consideraremos, para fins de discussão, apenas o fator de
conversão obtido da somatória de todos os açúcares (TOT) (0,02, 0,1 e 0,04 g.g-1 para os processos
conduzidos em anaerobiose, aerobiose e global, respectivamente). Neste caso, observa-se que o maior
fator de conversão é obtido no processo em aerobiose, sendo a glicose o principal açúcar utilizado
para a conversão nessa fase.
Tabela 1 - Concentração de substrato consumido e fatores de conversão de substrato em produto
para experimento que avaliou a cinética de consumo de substrato e produção de etanol por P. sajor-
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caju nos meios contendo as diferentes fontes de carbono em três momentos do processo: processo em
anaerobiose, processo em aerobiose e processo global considerando cada açúcar individualmente
(sacarose - SAC, glicose – GLI, xilose – XIL e frutose - FRU) e a soma total de todos os açúcares
(TOT)
SAC
GLI
[S] (g.L-1) XIL
FRU
TOT
SAC
GLI
YP/S (g.g-1) XIL
FRU
TOT
ANAEROBIOSE AEROBIOSE PROCESSO GLOBAL
2,4
0,14
2,54
5,73
4,02
9,74
4,95
0,4
5,35
0,17
0
0,13
13,3
4,56
17,76
0,1
3,35
0,28
0,04
0,12
0,07
0,05
1,17
0,13
1,46
0
5,41
0,02
0,1
0,04
Ainda quanto ao consumo dos diferentes açúcares avaliados, observa-se na Tabela 1 que a
glicose é preferencialmente consumida pelo fungo, seguida do consumo de xilose. Papaspyridi et al.
(2010) avaliaram oito diferentes carboidratos (frutose, glicose, xilose, manose, maltose, sacarose,
trealose e rafinose) para selecionar a melhor fonte de carbono para o crescimento micelial de
Pleurotus ostreatus. As máximas concentrações de biomassa micelial de 23,7±0,5, 21,1±0,5 e
20,5±0,8 g.L-1 foram obtidas quando xilose, glicose e trealose foram utilizadas, respectivamente. Os
autores também afirmam que, com xilose como fonte de carbono, o metabolismo se dá pela Via das
Pentoses-Fosfato que é encontrada em quase todos os organismos fornecendo D-ribose para
biossíntese de ácidos nucleicos, D-4-eritrose fosfato para a síntese dos aminoácidos aromáticos e de
NADPH para reações anabólicas.
A Figura 2 apresenta o consumo de açúcares totais e a produção de etanol em aerobiose por P.
sajor-caju em meio de cultivo contendo pseudocaule de bananeira como fonte de carbono.
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Figura 2 - Cinética de produção de etanol e consumo de açúcares totais por P. sajor-caju em
meio contendo pseudocaule de bananeira como fonte de carbono. Os resultados representam a média
de duplicatas ± erro padrão.
Como pode ser observado na Figura 2, a adição de 20 g.L-1 de pseudocaule desidratado em pó
ao meio de cultivo resultou em uma concentração inicial de 14,33 g.L-1 de açúcares totais.
Considerando os resultados obtidos por Gonçalves Filho (2011) para o pseudocaule da bananeira
Musa cavendischii, que reporta a obtenção estequiométrica teórica de 488,4 kg de glicose por ton de
pseudocaule em base seca (48,84%), 9,77 g.L-1 da concentração total de açúcares seriam provenientes
da hidrólise da celulose presente no pseudocaule. O restante de açúcares presentes no meio pode ser
proveniente do extrato de levedura (3,35 g.L-1) (Santucci et al., 2003 e também do próprio extrato de
trigo ou ainda da liberação de outros açúcares (pentoses) que não a glicose quando da hidrólise do
pseudocaule pelo ácido sulfúrico concentrado.
Nesse trabalho, a produção de etanol foi de 0,87 g.L-1 a partir de 8,93 g de açúcares totais,
levando a um fator de conversão extremamente baixo (0,09 g de etanol/g de substrato) quando
comparado aos fatores de conversão reportados na literatura (aproximadamente 0,3 g.g-1). Observa-se
que, no processo conduzido em aerobiose, houve um consumo significativo dos açúcares presentes no
meio (8,93 g.L-1), mas parte do substrato deve ter sido utilizado para produção de biomassa micelial
(dados não disponíveis) em detrimento da produção de etanol. No entanto, mesmo em baixa
concentração, o etanol é produzido, indicando a expressão da álcool desidrogenase pelo fungo.
4. CONCLUSÃO
A máxima produção de etanol foi de 1,02 g.L-1 no meio de cultivo contendo glicose, xilose,
frutose e sacarose como fonte de carbono. Desta concentração, 0,46 g.L-1 (45,1%) foram produzidos
no período em que o processo foi conduzido em anaerobiose. Quanto ao consumo de açúcar, glicose,
seguida de xilose, parecem ser consumidos preferencialmente pelo fungo, em detrimento de sacarose
e frutose. Quando o pseudocaule de bananeira foi utilizado, 8,93 g.L-1 de açúcares totais foram
consumidos e 0,87 g.L-1 de etanol foram produzidos, levando a um fator de conversão de 0,09 g de
etanol/g de substrato, muito aquém do rendimento teórico calculado. Considerando a faixa de
abrangência das pesquisas realizadas pelos autores, é possível afirmar que esse é o primeiro trabalho
que reporta a produção de etanol por fungos do gênero Pleurotus. Os resultados indicam que, embora
haja a possibilidade de produção de etanol utilizando P. sajor-caju, novos experimentos devem ser
realizados de forma a investigar o favorecimento de rotas metabólicas e a condução do processo que
visem otimizar a produção de etanol.
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