Produção de biomassa lipídica - Single Cell Oil - a partir de

resíduos agroindustriais

Produção de biomassa lipídica - Single Cell Oil - a partir de

resíduos agroindustriais

Bárbara Niza; Kaidu Hanashiro; Leornardo Lopes;

Leonardo Belchior; Valter Alessio

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOSCENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS

DTAiSER - Departamento de Tecnologia Agroindustrial e Sócio-Economia Rural

Single Cell Oil

Introdução

Single Cell Oil

Introdução

Vantagens:

Produção a partir de fontes de carbono baratas;

Ciclo de vida curto;

Independe de condições climáticas e estações;

Possibilidade de aumento de escala;

Não compete com a produção de alimentos.

Produção de biocombustíveisAinda não explorado industrialmente

Poluentes

Baratos

Resíduos

Single Cell OilSingle Cell Oil

Matéria-prima

Biocombustíveis

Produção

Ácidos graxos de interesse

Óleos oriundos de plantas

Combustíveis derivados do

petróleoMatéria-prima mais utilizada

Ainda mais utilizados

Utilização do resíduo

Meio ambiente

Biosurfactantes

Single Cell OilPorque utilizar?

Single Cell Oil

Principais microrganismos investigados:

Single Cell Oil

Microrganismos

Média na composição lipídica: 1 a 70% - 90%Condições heterotróficas: grande produção de biomassa

Botryococcus braunii Capaz de acumular altos níveis na parede celular

Microalgas

Botryococcus braunii

Single Cell Oil

Microrganismos

Matéria-prima para produção de biocombustíveis

Desvantagens:

Processos autotróficos: fornecimento de luz, CO2 e água, biorreatores ocupando grandes áreas

Extração e purificação

Microalgas

Single Cell Oil

Microrganismos

Média na composição lipídica: 20 a 40%

Actinomicetos: até 70% de ácidos graxos.

Rápido crescimento;

Biorreatores convencionais.

Bactérias

Single Cell Oil

Microrganismos

Desvantagens:

Maioria possui baixo acúmulo

Acúmulo em membranas internas

Engenharia genética

Modular produção desejada

Bactérias

Single Cell Oil

Microrganismos

Rhodosporidium, Rhodotorula e Lipomyces.

Composição lipídica: até 70%;

Ácidos graxos polinsaturados;

Fração de saturados.

Leveduras

Ratledge, Kristiansen (2006)

Cryptococcus curvatus

Acúmulo de ácidos graxos: 90%

Similares a óleos vegetais: 44%

Single Cell Oil

Microrganismos

Xue et al. (2008)Rhodotorula glutinis

Efluentes da produção de Glutamato Monossódico

Lipídeos: 20%

DQO: redução de 45%

Leveduras

Single Cell Oil

Microrganismos

Aspergillus oryzae, Humicola lanuginosa Mortierella

Método de cultura fácil;

Biorretores convencionais;

Lipídeos especiais: ácido γ-linolenico, ácido araquidônico.

Bolores

Single Cell Oil

MetabolismoEssencial para todas as células vivas

Exceção PARASITAS

Ácidos graxos de importância biológica;

Não ocorre durante o crescimento;

CAUSA: deleção de um nutriente do meio– 0 N, suficiente C

O processo de acumulação em microrganismos oleaginosos em cultura em batelada. O organismos (bac., fungu ou alga) esta crescendo em um meio onde a concentração de NH3 está limitando; quando este esta esgotado as células continuam a consumir o carbono excedente (glicose) existente no meio. Nos organismos oleaginosos este carbono é então convertido em pacotes de triacilglicerol.

Single Cell Oil

Metabolismo

MetabolismoRepresentação esquemática da bioquímica da oleogenicidade em microrganismos. Enzima 1, piruvato desidrogenase; 2 citrato sintetase; 3, aconitase; 4, NADH isocitrato desidrogenase – requere AMP para atividade. AMP é desaminado pela enzima 5 imediatamente N se torna limitante; 5, AMP desaminase; 6, ATP: citrato liase; 7, acetil-CoA carboxilase; 8, ácido graxo sintetase; 9, malato desidrogenase; 10, enzima malica.

Single Cell Oil

Single Cell Oil

Metabolismo

Bactérias: não produzem triacilglicerol;

Saccharomyces cerevisae;

Citrato + CoA + ATP → acetil−CoA + oxaloacetato + ADP +

Pi

Precursor de maior importância: Acetil-Coa;Acetil CoA depende ATP.

Single Cell Oil

Metabolismo

AMP inosine 5′ − monophosphate +NH3

Ativação da AMP desaminase;

Glicose para acetil-CoA– Capaz de dar conta do fluxo de substrato;– Sob condições limitadas de nitrogênio.

Single Cell Oil

Substratos

Resíduos Agro-Indústriais

Lodo de Esgoto

Single Cell Oil

Substratos

Resíduos Agro-Industriais

Xilose

Arabinose

Manose

Glicerol

Amido hidrolisado

Hidrolisado de celulose

Soro de queijo

Fermentação do glutamato

Vinhaça

Melaço

Single Cell Oil

Alfarrobeira

Substratos

Diferentes estudos; 50% mais que biomassa (Gordonia sp e Rhodococcus opacus)

Valor máximo: 93% e 96% de lipídios em melaço de cana

TAGs 88,9 e 57,8 mg/L

(alfarroba e laranja)

Rhodococcus opacus

Single Cell Oil

SubstratosEfeito de diferentes resíduos agro-industriais em acúmulo de

lipídio e TAGS por Rhodococcus opacus

GOUDA, OUMAR, AOUAD (2008)

Single Cell Oil

SubstratosEfeito de diferentes resíduos agro-industriais em acúmulo de

lipídio e TAGS por Gordonia sp

GOUDA, OUMAR, AOUAD (2008)

Single Cell Oil

Substratos

Vinhaça e melaço

Lipídios totais acima de 26%: meio de 50% melaço e 50% vinhaça

Saccharomyces cerevisiae Corynebacterium glutamicum

Single Cell Oil

Substratos

Água residual de azeite

Atividade antimicrobiana por componentes fenólicos;

Lipomyces starkeyi;

Rendimento de lipídios crescente conforme pré-tratamentos(diluição).

Single Cell Oil

Substratos

Concentração de lipídio em L. starkeyi após 10 dias de cultura em resíduo de azeite

YOUSUF et al. (2010)

Single Cell Oil

Substratos

Lipomyces starkeyi;

Adição de glicose para C/N em 100 e 60;

Acúmulo de lipídio 35,6% e 32,2%;

Pré-tratamentos torna processos mais eficientes: hidrólise alcalina, hidrólise ácida, térmico e ultra-som.

Lodo de Esgoto

Single Cell Oil

Aplicações

Tratamento de Resíduos

Biodiesel

Biosurfactantes

Ácidos Graxos de interesse

Acúmulo de lipídios;

Posteriormente transformados de acordo com o produto desejado.

Single Cell Oil

Aplicações

Tratamento de resíduos através da utilização de microrganismos;

Grande utilização de fungos (leveduras);

Redução de DBO e DQO;

Tratamento de Resíduos

Single Cell Oil

Aplicações

Tratamento de águas residuárias de indústrias de beneficiamento de azeite;

Água residuária com DQO 100gL-1 a 200gL-1;

Redução de DQO e DBO através da utilização de diferentes espécies de leveduras lipolíticas.

Tratamento de Resíduos

Single Cell Oil

Aplicações

Produção de biomassa;

Fungos, leveduras e bactérias;

Degradação de poluentes e potencial utilização como aditivo na alimentação animal;

Tratamento de Resíduos

Single Cell Oil

Aplicações

Produção de ácidos graxos de interesse:– Ácido Araquidônico (ARA);– Ácido decahexanóico (DHA);

Suplemento alimentar infantil (produção de tecido cerebral)

Apenas para óleos de difícil obtenção.

Produção de Ácidos Graxos

Single Cell Oil

Aplicações

Produção de Ácidos Graxos

Single Cell Oil

• Tecnologia emergente;– Tratamento de resíduos lipídicos– Produção de lipídios de interesse– Biodiesel

• Novas pesquisas para otimização dos processos de produção e purificação.

Considerações Finais

Single Cell Oil

Referências• AMARETTI, A. et al. Single cell oils of the cold-adapted oleaginous yeast Rhodotorula glacialis

DBVPG 4785. Microbial Cell Factories, v. 9, n. 73, 2010.

• ANGERBAUER, C. et al. Conversion of sewage sludge into lipids by Lipomyces starkeyi for biodiesel production. Bioresource Technology, v. 99, p. 3051-3056, 2008.

• AZÓCAR, L. et al. Biotechnological processes for biodiesel production using alternative oils. Applied Microbiology and Biotechnology, v. 88, p. 621-636, 2010.

• CAZETTA, M. L.; CELLIGOI, M. A. P. C. Estudo de diferentes combinações de melaço/ vinhaça como substrato para produção de proteínas e lipídios por microrganismos. Ciências Exatas e Tecnológicas, v. 77, n.1, p. 3-10, 2006.

• GONÇALVES, C. et al. Biological treatment of olive mill wastewater by non-conventional yeasts. Bioresource Technology, v. 100, p. 3759-3763, 2009.

• GOUDA, M.; OMAR, S. H.; AOUAD, L. M. Single cell oil production by Gordonia sp. DG using agro-industrial wastes. World Journal of Microbiology and Biotechnology, v. 24, p. 1703-1711, 2008.

• LACONI, S. et al. Bioremediation of olive oil mill wastewater and production of microbial biomass. Biodegradation, v. 18, p. 559-566, 2007.

Single Cell Oil

Referências• Li, Q.; DU, W.; LIU, D. Perspectives of microbial oils for biodiesel production. Applied

Microbiology and Biotechnology, v. 80, p. 749-756, 2008.

• MENG, X. et al. Biodiesel production from oleaginous microorganisms. Renewable Energy, v. 34, p. 1-5, 2009.

• PAPANIKOLAOU, S. KOMAITIS, M. AGGELIS, G. Single cell oil (SCO) production by Mortierella isabellina grown on high-sugar content media. Bioresource Technology, v. 95, p. 287-291, 2004

• RATLEDGE, C. Fatty acid biosynthesis in microorganisms being used for Single Cell Oil production. Biochimie, v. 86, p. 807-815, 2004.

• RATLEDGE, C.; KRISTIANSEN, B. Basic Biotechnology. 3 ed. Cambridge University Press, 2006.

• RETLEDGE, C.; DAWSON, P. S. S. Biotechnology for the oils and fats industry. The American Oil Chemists Society, 1984.

• WARD, O. P.; SINGH, A.. Microbial Production of Polyunsaturated Fatty Acids. In: VARMA, A.; PODILA, G. K.. Biotechnological Applications of Microbes. I. K. International Pvt, 2005. p. 199-217.

Single Cell Oil

Referências• WU, S. et al. Microbial lipid production by Rhodosporidium toruloides under sulfate-limited

conditions. Bioresource Technology. (no prelo), 2010.

• XUE, F. et al. Studies on lipid production by Rhodotorula glutinis fermentation using monosodium glutamate wastewater as culture medium. Bioresource Technology, v. 99, p.5923–5927, 2008.

• YOUSUF, A. et al. Microbial Conversion of Olive Oil Mill Wastewaters into Lipids Suitable for Biodiesel Production. Journal of Agriculture and Food Chemistry, v. 58, p. 8630-8635, 2010.

Imagens:

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http://www.nrib.go.jp/English/annai/introduce/microorganism.htm

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