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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:
http://www.espirogiras.blogspot.com
http://www.design-ergonomia.blogspot.com
http://www.curlygirl.no.sapo.pt
http://www.poraresilinhas.blogspot.com
http://www.nrib.go.jp/English/annai/introduce/microorganism.htm
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