Development of a biorefinery–based bioprocess for pigment and lipid production by oleaginous yeasts

Abstract

The implementation of biorefinery concept has proven to be an excellent strategy to increase the economic viability of industries including the bio-based ones. In its most conventional form the biorefinery uses raw materials of vegetable and renewable origin and through physico-chemical, enzymatic or biological processes transform these materials into by-products that meet the needs of modern consumers, in a sustainable form and with minimal environmental impact. The use of easy handling microorganisms can be a good strategy in the production of the by-products. In this study was explored the production of β-carotene and lipids by the co-cultivation of these two yeasts in a starch culture, carried out at a temperature of 28 °C, 180 rpm for 168 h. Tests were performed with different concentrations of each yeast, particularly 0.5 g/L R. glutinis and 0.5 g/L L. kononenkoae, 0.75 g/L R. glutinis and 0.25 g/L L. kononenkoae and finally 0.25 g/L R. glutinis and 0.75 g/L L. kononenkoae. These testes were executed with different concentrations of starch, respectively 10, 50 and 90 g/L. Analysing the results obtained revealed that there is no significant differences in the growth of yeasts at different concentrations of starch. From the calculated kinetic parameters, namely μ (specific rate of growth) and tD (doubling time) was not possible to get an idea of the most suitable starch concentration on growth of yeast, but in the results for tests with 10, 50 and 90 g/L concentrations, the values were respectively of μ= 0.0217 h-1, μ= 0.0236 h-1 e μ= 0.0268 h-1 for R. glutinis and μ= 0.0214 h-1, μ= 0.0333 h-1 e μ= 0.0251 h-1 for L. kononenkoae. For the results obtained in the production of β- carotene and lipids it was observed that existed a better production of β- carotene in the assay with 0.25 g/L of R. glutinis and 0.75 g/L of L. kononenkoae for a starch concentration of 90 g/L, having a concentration of β-carotene 3.3 ± 1.287 μg/g, though the results were not statistically significant. Respect to lipids was noted a better production in the same assay of 0.25 g/L of R. glutinis and 0.75 g/L of L. kononenkoae where the production rates were between 18.75 ± 0.001 and 22.50 ± 0.003. From this study it was possible to verify competitiveness by L. kononenkoae during growth simultaneously with R. gluinis. It was verified that the metabolically stressed that the R. glutinis suffers due to unfavorable conditions may favor the production of β-carotene. It was also observed that the higher the concentration of L. kononenkoae in culture medium improves lipid production. It was also checked that the conditions of 0.25 g/L of R. glutinis and 0.75 g/L L. kononenkoae improvment the production of compounds, β-carotene and lipids. Finally, a concentration of 90 g/L starch seems to be too high to promote the production of lipids.

A implementação do conceito de biorrefinaria tem demonstrado ser uma excelente estratégia para aumentar a viabilidade económica das indústrias, nomeadamente das bioindústrias. Na sua forma mais “convencional” a biorrefinaria utiliza matérias-primas de origem vegetal e renovável e através de processos físico-químicos, enzimáticos ou biológicos transformam estas matérias em sub-produtos que atendem às necessidades do consumo moderno, de forma sustentável e com o mínimo impacto ambiental. Para isto o uso de microrganismos de fácil manuseamento pode ser uma boa estratégia para a produção dos tais sub-produtos. As leveduras, Rhodoturula glutinis e Lipomyces kononenkoae foram os modelos escolhidos para o desenvolvimento deste trabalho de investigação. Neste estudo explorou-se a produção de β-caroteno e lípidos através do co-cultivo destas duas leveduras em meio de cultura com amido, realizado a uma temperatura de 28 °C, 180 rpm durante 168h. Para tal, realizaram-se então ensaios com concentrações diferentes de cada levedura, nomeadamente 0,5 g/L R. glutinis e 0,5 g/L L. kononenkoae, 0,75 g/L R. glutinis e 0,25 g/L L. kononenkoae e por fim 0,25 g/L R. glutinis e 0,75 g/L L. kononenkoae. E com concentrações diferentes de amido, 10, 50 e 90 g/L respetivamente. De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que não existem diferenças significativas relativamente ao crescimento das leveduras nas diferentes concentrações de amido, mesmo assim o ensaio com as proporções de 0,25 g/L de R. glutinis e 0,75 g/L de L. kononenkoae foi aquele que mostrou uma maior taxa de crescimento das leveduras. A partir dos parâmetros cinéticos calculados nesse ensaio, nomeadamente μ (taxa especifica de crescimento) e tD (tempo de duplicação) não foi possível ter uma ideia da concentração de amido mais adequada ao crescimento das leveduras, mas mesmo assim foram obtidos para os ensaios com 10, 50 e 90 g/L respetivamente, valores para a R. glutinis de μ= 0,0268 h-1, μ= 0,0251 h-1 e μ= 0,0258 h-1 e para a L. kononenkoae valores de μ= 0,0233 h-1, μ= 0,0233 h-1 e μ= 0,0251 h-1. Relativamente aos resultados obtidos para a produção de β-caroteno e lípidos observa-se que houve uma melhor produção de β-caroteno no ensaio com 0,25 g/L de R. glutinis e 0,75 g/L de L. kononenkoae para uma concentração de amido de 90 g/L, apresentando uma concentração de β-caroteno de 3,03 ± 1,287 μg/g, no entanto os resultados obtidos não foram estatisticamente significativos. Relativamente aos lípidos notou-se uma melhor produção no mesmo ensaio com 0,25 g/L de R. glutinis e 0,75 de L. kononenkoae onde se verificam percentagens de produção entre os 18,75 ± 0,001 e os 22,50 ± 0,003. A partir deste estudo foi possível verificar competitividade por parte da L. kononenkoae durante o crescimento em simultâneo com a R. gluinis. Verificou-se que o stress metabólico que a R. glutinis sofre devido a condições desfavoráveis pode favorecer a produção de β-caroteno. Observa-se igualmente que quanto maior a concentração de L. kononenkoae no meio de cultura melhora a produção lipídica. Também se verificou que as condições de 0,25 g/L de R. glutinis e 0,75 g/L de L. kononenkoae favorecem a produção dos compostos, β-caroteno e lípidos. E por fim, uma concentração de 90 g/L de amido parece ser demasiado elevada para favorecer a produção de lípidos.