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Produção de biomassa lipídica - Single Cell Oil - a partir de resíduos agroindustriais Bárbara Niza; Kaidu Hanashiro; Leornardo Lopes; Leonardo Belchior;

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1 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 CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DTAiSER - Departamento de Tecnologia Agroindustrial e Sócio-Economia Rural

2 Single Cell Oil Introdução Microrganismos Oleaginosos Single Cell Oil - SCO Capacidade de acumular grandes quantidades de lipídeos (> 20%) sob determinadas condições de cultivo Triacilgliceróis - TAG

3 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 biocombustíveis Ainda não explorado industrialmente

4 Poluentes Baratos Resíduos Single Cell Oil Matéria-prima Biocombustíveis Produção Ácidos graxos de interesse Óleos oriundos de plantas Combustíveis derivados do petróleo Matéria-prima mais utilizada Ainda mais utilizados Utilização do resíduo Meio ambiente Biosurfactantes Single Cell Oil Porque utilizar?

5 Single Cell Oil Principais microrganismos investigados: Microalgas Bactérias Leveduras Bolores

6 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

7 Single Cell Oil Microrganismos Matéria-prima para produção de biocombustíveis Desvantagens: Processos autotróficos: fornecimento de luz, CO 2 e água, biorreatores ocupando grandes áreas Extração e purificação Microalgas

8 Single Cell Oil Microrganismos Média na composição lipídica: 20 a 40% Actinomicetos: até 70% de ácidos graxos. Rápido crescimento; Biorreatores convencionais. Bactérias

9 Single Cell Oil Microrganismos Desvantagens: Maioria possui baixo acúmulo Acúmulo em membranas internas Engenharia genética Modular produção desejada Bactérias

10 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%

11 Single Cell Oil Microrganismos Xue et al. (2008) Rhodotorula glutinis Efluentes da produção de Glutamato Monossódico Lipídeos: 20% DQO: redução de 45% Leveduras

12 Single Cell Oil Microrganismos Aspergillus oryzae, Humicola lanuginosa Mortierella Método de cultura fácil; Biorretores convencionais; Lipídeos especiais: ácido γ-linolenico, ácido araquidônico. Bolores

13 Single Cell Oil Metabolismo Essencial 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

14 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

15 Representação 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

16 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.

17 Single Cell Oil Metabolismo AMP inosine 5′ − monophosphate +NH 3 Ativação da AMP desaminase; Glicose para acetil-CoA –Capaz de dar conta do fluxo de substrato; –Sob condições limitadas de nitrogênio.

18 Single Cell Oil Substratos Resíduos Agro-Indústriais Lodo de Esgoto

19 Single Cell Oil Substratos Resíduos Agro-Industriais Xilose Arabinose Manose Glicerol Amido hidrolisado Hidrolisado de celulose Soro de queijo Fermentação do glutamato Vinhaça Melaço

20 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

21 Single Cell Oil Substratos Efeito de diferentes resíduos agro-industriais em acúmulo de lipídio e TAGS por Rhodococcus opacus GOUDA, OUMAR, AOUAD (2008)

22 Single Cell Oil Substratos Efeito de diferentes resíduos agro-industriais em acúmulo de lipídio e TAGS por Gordonia sp GOUDA, OUMAR, AOUAD (2008)

23 Single Cell Oil Substratos Vinhaça e melaço Lipídios totais acima de 26%: meio de 50% melaço e 50% vinhaça Saccharomyces cerevisiae Corynebacterium glutamicum

24 Single Cell Oil Substratos Água residual de azeite Atividade antimicrobiana por componentes fenólicos; Lipomyces starkeyi; Rendimento de lipídios crescente conforme pré-tratamentos(diluição).

25 Single Cell Oil Substratos Concentração de lipídio em L. starkeyi após 10 dias de cultura em resíduo de azeite YOUSUF et al. (2010)

26 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

27 Single Cell Oil Aplicações Tratamento de Resíduos Biodiesel Biosurfactantes Ácidos Graxos de interesse Acúmulo de lipídios; Posteriormente transformados de acordo com o produto desejado.

28 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

29 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

30 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

31 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

32 Single Cell Oil Aplicações Produção de Ácidos Graxos

33 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

34 Single Cell Oil Referências AMARETTI, A. et al. Single cell oils of the cold-adapted oleaginous yeast Rhodotorula glacialis DBVPG Microbial Cell Factories, v. 9, n. 73, ANGERBAUER, C. et al. Conversion of sewage sludge into lipids by Lipomyces starkeyi for biodiesel production. Bioresource Technology, v. 99, p , AZÓCAR, L. et al. Biotechnological processes for biodiesel production using alternative oils. Applied Microbiology and Biotechnology, v. 88, p , 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, GONÇALVES, C. et al. Biological treatment of olive mill wastewater by non-conventional yeasts. Bioresource Technology, v. 100, p , 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 , LACONI, S. et al. Bioremediation of olive oil mill wastewater and production of microbial biomass. Biodegradation, v. 18, p , 2007.

35 Single Cell Oil Referências Li, Q.; DU, W.; LIU, D. Perspectives of microbial oils for biodiesel production. Applied Microbiology and Biotechnology, v. 80, p , MENG, X. et al. Biodiesel production from oleaginous microorganisms. Renewable Energy, v. 34, p. 1-5, 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 , 2004 RATLEDGE, C. Fatty acid biosynthesis in microorganisms being used for Single Cell Oil production. Biochimie, v. 86, p , RATLEDGE, C.; KRISTIANSEN, B. Basic Biotechnology. 3 ed. Cambridge University Press, RETLEDGE, C.; DAWSON, P. S. S. Biotechnology for the oils and fats industry. The American Oil Chemists Society, 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, p

36 Single Cell Oil Referências WU, S. et al. Microbial lipid production by Rhodosporidium toruloides under sulfate-limited conditions. Bioresource Technology. (no prelo), 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, 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 , Imagens:


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