Daniel B. A. Castro RA: 341401

Daniela Bardella RA: 341398

Carolina H. Macabelli RA: 341614

Maísa Curtolo RA: 341525

Thaís Eduarda Giorgiano RA: 341533

UFSCar - 2011

Sumário

∗ É um pó branco cristalino,∗ Inodoro ∗ Valor calórico igual a 2,4 kcal/g,∗ Apresenta importantes propriedades

físico-químicas e fisiológicas∗ Considerado como um produto com

potencial para aplicações em diversos setores industriais.

∗ O xilitol não apresenta uma toxicidade que represente risco à saúde humana (ELIAS; PINZAN; BASTOS, 2006).

Xilitol

∗ Xilitol é um adoçante natural ,

∗ Encontrado nas fibras de muitos vegetais, incluindo milho, framboesa, ameixa, entre outros.

∗ É obtido por hidrogenação catalítica da xilose.

∗ É tão doce quanto a sacarose,

∗ Cerca de 40% menos calórico.

Xilitol

Xilitol .

∗ Propriedade cariostática� por não ser metabolizado por microrganismo da microbiota bucal, impossibilita a proliferação de bactérias e conseqüentemente impede produção de ácidos que atacam o esmalte dos dentes.

∗ Anticariogênico,� por promover a estimulação da produção de saliva que possui capacidade tamponante, que juntamente com o aumento da concentração de íons cálcio e fosfato, induz a remineralização, revertendo lesões de cáries recém formadas (Makinen et al 2001, 1973, citado por Paladino et al, 2003).

Xilitol Vs outros adoçantes

∗ Outra vantagem do xilitol é não ser fermentado por muitos microrganismos, permitindo assim seu uso em xaropes e refrescos sem a necessidade de pasteurização e da adição de conservantes, quando o produto é estocado por 4 ou 5 meses em frascos fechados (Manz et

al., 1973, citado por Paladino et al, 2003).

∗ Indicado para obesos por ser menos calórico e diminuir o nível de ácidos graxos livres no sangue (Manz et al., 1973, citado por Paladino et al, 2003).

∗ É também indicado para consumo por diabéticos em substituição a outros açúcares, uma vez que seu metabolismo não ocorre por vias insulino - dependentes

Xilitol Vs outros adoçantes

Xilitols

Fonte: Cunha M. A.A. et al

∗ Em escala industrial teve início em 1975, na Finlândia.

∗ Esse processo, que fornece de 50 a 60% de rendimento,

∗ É realizado em reatores com elevadas pressões (31-40 atm), temperaturas (100-130 ºC)

∗ Tem um tempo de duração de 3 a 5 horas (Jaffe et al.,1974; Melaja, Hämäläinen, 1977, citados por Mussato e Roberto, 2002).

∗ Segundo Melaja e Hämäläinen (1977) citado por Mussato e Roberto (2002), esse tempo pode ser reduzido para cerca de 2,5 horas, se os níveis de temperatura e pressão forem superiores a 130 ºC e 40 atm, respectivamente.

Processo químico

∗ Este poli-álcool é produzido por redução química, em um processo que apresenta inúmeras desvantagens:

- altas pressões

- temperaturas

- necessidade de etapas de purificação tanto no “upstream” quanto o “downstream”

Alternativas de produção:

Um dos processos mais atrativos é a via microbiológica

Processo químico

Encarecem o processo

• Vantagens: o uso de condições amenas de pressão e temperatura;

• A não necessidade de utilização de xilose pura, uma vez que os microrganismos são capazes de converter xilose em xilitol diretamente a partir do hidrolisado, Roseiro et al. (1991) citado por Branco et al. (2005).

Processos Biológicos

∗ Fungos:∗ Petromyces albertensis - 0.4 g de xilitol/g de xilose, depois de 10

dias

∗ Mucor sp. – baixa produção em bagaço

∗ Fusarium oxysporum (meio 50 g/L de xilose) em condições aerobias – 1 g/L.

∗ Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Glicoladium, Byssochlamyz,

Myrothecium, e Neurospora sp.

Microrganismos

∗ Bactérias:

∗ Enterobacter – produção extracelular (0.35 g L-1 h-1 )

∗ Corynebacterium sp. - produção extracelular (somente com

glucanato)

∗ Um rendimento de 80% com substrato de D-xilose, usando

enzima imobilizada (D-xilose isomerase) e Mycobacterium

smegmatis imobilizada.

Microrganismos

∗ Leveduras: Até 1998 mais de 50 leveduras foram estudadas

para a produção de xilitol

∗ Candida tropicalis HPX2 – rendimento de 0.8 g de xilitol/g de

xilose.

∗ Candida mogii - 0.7 g de xilitol/g de xilose

Microrganismos

∗ Várias espécies foram identificadas como produtoras de xilitol, destacando-se as do gênero Candida, pela maior eficiência de conversão (LIMA; FELIPE; TORRES, 2003).

∗ De acordo com Roberto, Mancilha e Sato (1998), o crescimento das células de levedura demonstra dependência na produção de xilitol, pois é um produto intermediário no catabolismo de leveduras.

Microrganismos

Microrganismos

∗ Produção do xilitol pela via biológica ocorre por fermentação submersa, porém outros tipos de fermentações estão sendo testadas.

∗ A técnica de fermentação submersa possui relativa facilidade de cultivo em grande escala, já que garante a homogeneidade do meio e facilidade no controle dos parâmetros do processo, principalmente se monitoradospor sensores adequados (PINHEIRO, 2006).

Microrganismos

Materiais lignocelulósicos

∗ Composição variável: ∗ Celulose (35-50%)

∗ Hemicelulose (20-35%)

∗ Lignina (10- 25%)

∗ Interesse: Xilose � hemicelulose;

∗ Não são diretamente utilizados pelos microrganismos de interesse industrial � Necessita de pré-tratamento! Hidrólise;

Matéria prima para a produção de xilitol

∗ Materiais Lignocelulósicos

∗ A bioconversão é dependente não apenas da capacidade produtiva do microrganismo, mas também de sua tolerância a efeitos inibitórios causados por diversos compostos tóxicos resultado da hidrólise.∗ Ex: produtos de degradação dos açúcares, furfural;

∗ Além de ácido acético, resinas ácidas, ácidos tanínicos, íons ferro, cromo, níquel e cobre.

∗ Necessário: tratamento prévio de destoxificação.

∗ Bagaço de cana-de-açúcar:

∗ 23% do total de carboidratos é xilose;∗ É um dos principais fatores que impulsionam o

aproveitamento do bagaço.

Materiais lignocelulósicos

∗ Farelo de cevada:

∗ 32,7% de hemicelulose;

∗ Utilizado na alimentação de animais;

Materiais lignocelulósicos

∗ Sabugos de milho:

∗ 34,7% de hemicelulose

Materiais lignocelulósicos

∗ Palha de trigo:

∗ 31,8% hemicelulose

∗ Brasil: 6 milhões de toneladas (EMBRAPA 2005).

∗ Usada atualmente para produção de ração animal.

Materiais lignocelulósicos

∗ Palha de arroz:

∗ 22% hemicelulose

∗ Brasil: 15 milhões de toneladas de palha de arroz por safra (IBGE 2001).

Materiais lignocelulósicos

Materiais lignocelulósicos

Rendimento e Produtividade:

∗ Idade e concentração inicial do inóculo, ex: 0,1 a 3,0g/L para C.

guilliermondii;

∗ Temperatura - ex: 30 a 35°C ;

∗ Concentração inicial de D-xilose;

∗ Suprimento de O2;

∗ Presença de D-glicose como co-substrato;

∗ pH (ótimo varia em função do meio e do microrganismo);

Fatores que influenciam a bioconversão

Recuperação do Produto

∗ A recuperação do xilitol é o passo mais complexo de todo o processo fermentativo devido à baixa concentração do produto e complexa composição do caldo fermentado.

∗ Gurgel et al. (1995): Método de clarificação por carvão ativado e cristalização a 15°C. Muita impureza e leva muito tempo (5 semanas);

∗ Faveri et al. (2002): Evaporação até a saturação da solução, separação por centrifugação ou filtração;

∗ Candida Guilliermondii FTI 20037 � biocatalisador;

∗ Uso de sistemas em batelada com células imobilizadas para realizar a conversão de xilose em xilitol;

∗ Benefícios

∗ fermentação em batelada: não há necessidade de crescer um novo inóculo para cada lote;

∗ uso de células imobilizadas: facilidade para reciclá-los no final das repetições.

Bioprodução semi-contínua de xilitol em hidrolisado de bagaço de cana: efeito da suplementação

nutricional

Introdução

• As necessidades nutricionais da levedura C. guilliermondii FTI 20037 foram supridas usando esferas de calginato de cálcio no processo de fermentação em batelada;

• Sulfato de amônio e/ou extrato de farelo de arroz foram adicionados ou não no começo do processo em batelada e produção de xilitol - comparação entre a produtividade e o rendimento dos dois tratamentos.

MATERIAL E MÉTODOS

∗ Preparação do hidrolisado, Concentração e Desintoxicação

∗ Imobilização das células

∗ Bioconversão de xilose para xilitol

∗ Métodos analíticos

PREPAROBagaço de cana hidrolisado em reator a 121oC/20 min utilizando-se 100 mg de ácido sulfúrico por grama de bagaço seco e 10% de carga de sólidos;

CONCENTRAÇÃOHidrolisado obtido 5 vezes concentrado a 70 º C sob vácuo;

DESINTOXICAÇÃODesintoxicado por alteração do pH e carvão ativo de adsorção;

Células cultivadas em 200 rpm e 30 oC / 24 h, coletadas por centrifugação a 2000 g por 15 min, lavadas e re-suspensas em água destilada estéril.

50 mLMeio preparado para xilose (30 gL -1 )

Sulfato de amônio (3 gL -1)

Extrato de farelo de arroz (10% v/v)

Células em cápsulas de alginato de cálcio: adicionado volume adequado da suspensão de células a uma solução de alginato de sódio previamente aquecida a 111 oC /15 min.

Lavagem: As esferas foram mantidas na solução de CaCl 2 por 24 horas e lavados com água destilada estéril antes de serem usados para a bioconversão

Bioconversão complementada ou não com nutrientes: sulfato de amônio (3 gL -1) e / ou extrato de farelo de arroz (10% v / v), no início de cada repetição;

Cloreto de cálcio (0,1 gL -1) foi adicionado ao meio em todos os experimentos;

Hidrolisados não-suplementados � água destilada estéril para padronizar a [ ] inicial de xilose;

Frascos contendo 7g de células de gel-beads e 43 mL de meio.

Frascos re-alimentados com meio fresco, e as células imobilizadas foram reutilizadas como inóculo para o lote seguinte.

Em todos os experimentos: concentração celular inicial de 1,4 gL -1 e pH inicial de 6,0.

200 rpm 30 ºC/96h

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Suplementação do hidrolisado com os dois nutrientes após um ciclo de hidrolisados não-suplementados (B) restaurou os parâmetros de bioconversão para níveis semelhantes aos observados no ensaio A.

Sulfato de amônio � não houve diferença

Extrato de farelo de arroz � melhorou o ínicio da bioconversão

Ausência de nutrientes (F): Melhor produção, produtividade e rendimento na primeira repetição.

Suplementado com ambos nutrientes em todas as três repetiçõesProduções xilitol de 25,9, 46,8, 48,7 gL -1,

Produtividades de 0,27, 0,49, 0,51 gL -1 h - 1,

Rendimentos de 0,45, 0,58, 0,55 gg -1,.

Suplementação com os dois nutrientes aumentaram a velocidade do consumo de xilose e produção de xilitol pelas células ao longo das repetições. É possível que tenha fornecido as células com precursores essenciais (vitaminas e aa) necessários para maximizar o consumo de xilose e, conseqüentemente, a produção de xilitol.

Crescimento de células livres foi sempre mais rápido no hidrolisado suplementado

Concentrações de células imobilizadas observada no final dos lotes no Ensaio A foram muito mais baixos do que aqueles observados no Ensaio F.

Parece que a suplementação com sulfato de amônio e extrato de farelo de arroz influencia a capacidade das esferas de alginato de Ca em reter as células imobilizadas. Um grande crescimento das células imobilizadas, leva a um vazamento de célula pronunciada dos grânulos de alginato de Ca.

∗ Suplementação: benéfica ou maléfica?

∗ Concentrações muito elevadas de nutrientes estimulam o crescimento celular

∗ Suplementação mínima ideal favorece a produção de xilitol.

∗ Os resultados apresentados demonstram que a suplementação deve ser realizada em todas as repetições (melhorar bioconversão);

∗ Conclusão do autor: suplementação nutricional do sistema com sulfato de amônio e extrato de farelo de arroz melhora a bioconversão xilose a xilitol pela levedura Candida guilliermondii

FTI 20037.

Artigo:

∗ Produção Química: Redução catalítica de solução de Xilose :

-Xilose com alto grau de pureza

-Custo elevado;

-Uso de altas pressões e temperaturas;

-Extensivas etapas de purificação;

-Poluição.

∗ Via microbiológica elimina esses fatores.

Processos de Produção do Xilitol

Imobilização de biocatalizadores:∗ Ligação de superfícies (interações iônicas ou

covalentes)

∗ Aprisionamento em matrizes porosas (esferas)

∗ Contenção por membrana (hollow fiber ou in situ)

∗ Auto-agregação

Imobilização Celular na Produção de Xilitol

∗ Dificuldade: para indústria, os valores de produtividade são baixos.

∗ Uso de células imobilizadas é uma alternativa viável

- Possibilidade de desacoplar a dependência da vazão específica de alimentação;

- De reutilização dos biocatalisadores;

- Aumento da estabilidade dos biocatalizadores;

- Redução de custos operacionais;

Processos Biotecnológicos

∗ Polímeros naturais apresentam baixa força mecânica e durabilidade;

∗ Polímeros sintéticos freqüentemente são tóxicos aos microrganismos;

∗ O PVA tem um baixo custo, é produzido em larga escala e é inofensivo a biomateriais como enzimas, células e tecidos;

∗ Obtido da polimerização do acetato de vinila e subseqüente hidrólise parcial do acetato de polivinila.

Imobilização de Células em Gel de Álcool Polivinílico (PVA)

Representação da obtenção industrial do PVA

Fonte: Cunha, M. A. A. de et al

∗ Obtido através do congelamento e subseqüente descongelamento de soluções concentradas do polímero.

∗ Termorreversível: se funde a 70°C e é recuperado a -10, -30°C

PVA-criogel

∗ 3 formas de tratamento:

- Congelamento de uma suspensão de células em solução de PVA em um molde especial e subseqüente sublimação parcial do gelo da amostra congelada, seguido de descongelamento e expansão em um meio líquido apropriado;

- Vários tratamentos de congelamento e descongelamento de células suspensas em solução de PVA;

- Um único ciclo de congelamento descongelamento, sem liofilização.

Utilização do PVA-criogel para o aprisionamento de biomassa

∗ Luz ultravioleta: imobilização de amiloglicosidase, invertase e celulase (equipamentos específicos);

∗ Ácido bórico: onde lodo ativado foi imobilizado em gel de PVA-ácido bórico.

∗ Problemas: aglomeração das esferas de PVA obtidas e a toxicidade da solução de ácido bórico ao microrganismo

∗ Soluções: o ácido bórico é substituído por nitrato de sódio para gelificação do PVA, sendo utilizada pequena quantidade de alginato para prevenir a aglomeração das esferas.

Outros métodos

∗ É interessante o uso de técnicas de imobilização celular para a produção de xilitol, visando aumento de produtividade, e um suporte para imobilização microbiana com características adequadas é o gel de álcool polivinílico, um material que pode ser explorado na bioprodução de xilitol, podendo abrir desta forma, novos caminhos com relação a sua aplicação em processos microbianos.

Considerações Finais

∗ O interesse na obtenção e aplicações do xilitol têm aumentado nos últimos anos e como conseqüência tem-se procurado diminuir os custos de produção.

∗ O processo biotecnológico representa uma alternativa promissora, com purificação mais simples;

∗ Além de contribuir com a melhoria das condições do meio ambiente pois são utilizados resíduos agroindustriais como fonte de xilose;

∗ Novos estudos estão sendo conduzidos a respeito do microrganismo, tipo de fermentação e purificação adequada.

Conclusões

∗ Bier, M. C. J. et al. (2007). Crescimento e consumo de Xilose de Candida guilliermondii na fermentação submersa utilizando-se bagaço de cana-de-açúcar. Evidência, Joaçaba: v. 7, n. 2, p. 119-130. Disponível em: http://editora.unoesc.edu.br/index.php/evidencia/article/viewFile/466/214.

∗ Branco R. F. et al. (2005). Produção biotecnológica de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar em biorreator de coluna de bolhas. VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica. Disponível em: <http://www.feq.unicamp.br/~cobeqic/tBT61.pdf>. Access on 20 Nov. 2011.

∗ Carvalho, W.; Canilha, L.; Silva, S. S. Semi-continuous xylitol bioproduction in sugarcane bagasse hydrolysate: effect of nutritional supplementation. Rev. Bras. Cienc. Farm., São paulo, v. 43, n. 1, mar. 2007 . available from <http://www.Scielo.Br/scielo.Php?Script=sci_arttext&pid=s1516-93322007000100006&lng=en&nrm=iso>. Access on 21 nov. 2011.

∗ Cunha, M. A. A. de et al. Uso se células imobilizadas em gel de PVA. Available on: < http://www.uel.br/revistas/uel/index.php/semagrarias/article/view/2277/1954>. Access on 17 Nov. 2011.

∗ Mário César Jucoski Bier et al. Crescimento e consumo de Xilose de Candida guilliermondii na fermentação submersa utilizando-se bagaço de cana-de-açúcar. Available from: <http://editora.unoesc.edu.br/index.php/evidencia/article/viewFile/466/214>. Access oh 19 Nov. 2011.

∗ Mussato, S. I. e Roberto, I. C. (2004). Avaliação de diferentes tipos de carvão ativo na destoxificação de hidrolisado de palha de arroz para produção de xilitol. Ciência e Tecnologia de Alimento: Campinas, v. 24, n. 1, p. 94-100.

∗ Palladino, F. et al (2003). Avaliação do Efeito da Relação Xilose/Xilitol na Fermentação de Xilose em Xilitol por Candida guilliermondii.

∗ Rangaswamy, S. (2003) Xylitol production from D-Xylose by facultative anaerobic bacteria. Dissertation. Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University.

∗ Tamanini, C. e Hauly, M. C. O. (2004). Resíduos agroindustriais para produção biotecnológica de xilitol. Ciências de Alimentos: Londrina, v. 25, n. 4, p. 315-330.

Referencias bibliograficas

OBRIGADO (A)!OBRIGADO (A)!