Yarrowia lipolytica as a biorefinery platform based on low-cost feedstocks

Abstract

Atualmente, o biodiesel com origem nos lípidos microbianos tem atraído muita atenção como alternativa aos combustíveis fósseis. No entanto, os preços elevados dos substratos puros usados na produção de lípidos microbianos limitam a sua aplicação. A levedura oleaginosa Yarrowia lipolytica é considerada interessante para a produção sustentável de lípidos a partir de matérias-primas de baixo custo, uma vez que é capaz de utilizar diversos substratos, como por exemplo os ácidos gordos voláteis (AGVs) derivados de resíduos orgânicos. Assim, inicialmente, foi avaliada a capacidade de Y. lipolytica W29 e Y. lipolytica NCYC 2904 de crescerem e acumularem lípidos a partir de um meio sintético contendo AGVs. Yarrowia lipolytica cresceu neste meio, contudo a produção de lípidos aumentou com adição de co-substratos (glucose ou glicerol) em culturas descontínuas. Foi demonstrado que a transferência de massa de oxigénio é um fator importante para a produção de lípidos por Y. lipolytica a partir de AGVs. Além disso, a cultura em duas fases descontínuas, two-stage batch (TSC) - fase de crescimento em glucose, seguida por adição de 18 g⋅L-1 de AGVs - foi a melhor estratégia para obter o maior conteúdo em lípidos (25,4 % p/p paraY. lipolytica W29 e 26,7% p/p paraY. lipolytica NCYC 2904). A cultura TSC em biorreator, a operar com 40 % a 50 % da saturação de oxigénio dissolvido durante a fase produção de lípidos, resultou num aumento de 1,5 vezes no conteúdo de lípidos de Y. lipolytica NCYC 2904. Usando meio fermentado contendo AGVs produzidos durante a fermentação acidogénica de resíduos alimentares foram obtidos 11 g⋅L-1 de lípidos em cultura TSC com fase de crescimento no meio fermentado com AGVs, seguida pela produção de lípidos em glicerol bruto (subproduto da indústria de biodiesel). Este processo biotecnológico permitiu a integração de um processo anaeróbio e aeróbio criando uma cadeia de valor desde resíduos e subprodutos até a produção de lípidos microbianos. Estes são compostos pelos ácidos palmítico, palmitoleico, esteárico, oleico e linoleico, semelhantes aos óleos vegetais, tornando-os matérias-primas adequadas para a produção de biodiesel. Estes lípidos microbianos foram usados com sucesso na produção de biodiesel, cujas propriedades atendem aos critérios dos padrões internacionais.

Nowadays, microbial lipids-derived biodiesel is garnering much attention owing to its potential to substitute diesel fuel. However, the high costs of pure substrates used in microbial lipids production limit their application. The oleaginous yeast Yarrowia lipolytica is considered interesting for the sustainable production of microbial lipids from low-cost feedstocks since it can use a wide range of substrates, such as volatile fatty acids (VFAs) derived from organic wastes Thus, firstly, the ability of Y. lipolytica W29 and Y. lipolytica NCYC 2904 to grow and accumulate lipids intracellularly using a synthetic medium containing VFAs was evaluated. Yarrowia lipolytica grew efficiently in VFAs-based media, but lipids production was enhanced by the addition of co-substrates (glucose or glycerol) in batch cultures. It was demonstrated that oxygen mass transfer is an important factor for lipids production by Y. lipolytica from VFAs. Moreover, a two-stage batch culture (TSC) – growth phase in glucose, followed by the addition of 18 g⋅L-1 VFAs - was the best strategy to obtain the highest lipids content (25.4 % w/w in Y. lipolytica W29 and 26.7 % w/w in Y. lipolytica NCYC 2904). The TSC in a labscale bioreactor with 40 % to 50 % of saturation of dissolved oxygen during the lipogenic phase resulted in a 1.5-fold improvement in lipids content by Y. lipolytica NCYC 2904. Using VFAs-rich fermented medium generated during the acidogenic fermentation of food waste (FW), 11 g⋅L-1 lipids were obtained in a TSC strategy where the growth phase in FW-derived VFAs was followed by the lipogenic phase in crude glycerol (by-product of the biodiesel industry). This biotechnological process allowed the integration of an anaerobic and aerobic process to generate a value chain from wastes and by-products to microbial lipids production. Microbial lipids produced by Y. lipolytica are composed of palmitic, palmitoleic, stearic, oleic, and linoleic acids, a similar composition to vegetable oils, making them suitable feedstocks for biodiesel production. These microbial lipids were used to successfully produce biodiesel, whose properties meet the criteria of the international biodiesel standards.