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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
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Sumário
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∗ 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
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∗ 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
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Xilitol .
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∗ 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
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∗ 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
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Xilitols
Fonte: Cunha M. A.A. et al
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∗ 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
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∗ 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
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• 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
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∗ 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
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∗ 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
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∗ 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
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∗ 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
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Microrganismos
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∗ 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
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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;
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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.
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∗ 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
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∗ Farelo de cevada:
∗ 32,7% de hemicelulose;
∗ Utilizado na alimentação de animais;
Materiais lignocelulósicos
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∗ Sabugos de milho:
∗ 34,7% de hemicelulose
Materiais lignocelulósicos
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∗ Palha de trigo:
∗ 31,8% hemicelulose
∗ Brasil: 6 milhões de toneladas (EMBRAPA 2005).
∗ Usada atualmente para produção de ração animal.
Materiais lignocelulósicos
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∗ Palha de arroz:
∗ 22% hemicelulose
∗ Brasil: 15 milhões de toneladas de palha de arroz por safra (IBGE 2001).
Materiais lignocelulósicos
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Materiais lignocelulósicos
Rendimento e Produtividade:
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∗ 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
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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;
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∗ 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
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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.
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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
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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,.
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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.
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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.
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∗ 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.
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Artigo:
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∗ 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
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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
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∗ 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
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∗ 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)
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Representação da obtenção industrial do PVA
Fonte: Cunha, M. A. A. de et al
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∗ 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
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∗ 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
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∗ 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
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∗ 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
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∗ 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
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∗ 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.
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Referencias bibliograficas
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