Ethanol fermentation of sugarcane molasses by Zymomonas mobilis MTCC 92 immobilized in Luffa cylindrica L. sponge discs and Ca-alginate matrices

Bio-ethanol production from cane molasses (diluted to 15 % sugar w/v) was studied using the bacterium, Zymomonas mobilis MTCC 92 entrapped in luffa (Luffa cylindrica L.) sponge discs and Ca-alginate gel beads as the immobilizing matrices. At the end of 96 h fermentation, the final ethanol concentrations were 58.7 ± 0.09 and 59.1 ± 0.08 g/l molasses with luffa and Ca-alginate entrapped Z. mobilis cells, respectively exhibiting 83.25 ± 0.03 and 84.6 ± 0.02 % sugar conversion. There was no statistical significant difference (Fischer's LSD) in sugar utilization (t = 0.254, p <0.801) and ethanol production (t =-0.663, p <0.513) between the two immobilization matrices used. Further, the immobilized cells in both the matrices were physiologically active for three more cycles of operation with less than 15 % decrease in ethanol yield in the 4th cycle, which was due to some leakage of cells. In conclusion, luffa sponge was found to be equally good as Ca-alginate as a carrier material for bacterial (Z. mobilis. cell immobilization for ethanol production. Further, it has added advantages such as it is cheap, non-corrosive and has no environmental hazard.(AU)

Uso de matérias primas da agroindústria: garapa e extrato de levedura: na produção de asparaginase por Zymomonas mobilis CP4 / Utilization of raw materials from agroindustry: sugar cane juice and yeast extract: for asparaginase production by Zymomonas mobilis CP4

Garapa e extrato de levedura foram usados na produção de asparaginase por Zymomonas mobilis CP4. Na otimização utilizou metodologia de superfície de resposta com 2 variáveis (extrato de levedura e asparagina) em 3 níveis (1,0; 5,5 e 10,0 g/L) e uma repetição do ponto central. A fermentação em batelada utilizou garapa diluída a 8 % (P/V) de Açúcares Totais e inóculo de Zymomonas mobilis CP4 na concentração de 2 mg/mL. Após a fermentação de 18 horas, a maior produção obtida de asparaginase foi de 9,75 U/L em extrato de levedura em 5,5 g/L e asparagina em 1,0 g/L.(AU)

Sugar cane juice and yeast extract have been used for asparaginase production by Z. mobilis CP4. A complete factorial design of two variables (yeast extract and asparagin) at three levels (1.0; 5.5 and 10.0 g/L) with one replication at the central point was used. Batch fermentation utilised sugar cane juice diluted at 8 % (W/V) of Total Sugars and an inoculum of 2 mg of cells/mL. After fermentation time of 18 hours, the highest production of asparaginase was 9.75 U/L using both yeast extract (5.5 g/L) and asparagin (1.0 g/l).(AU)

Application of fractional factorial design to levan production by Zymomonas mobilis

Levan is a non-toxic, biologically active, extra cellular polysaccharide composed solely by fructose units. Optimization of levan production by Zymomonas mobilis strain ZAG-12 employing a 2(4-1) fractional factorial design was performed to analyze the influence of the temperature (20, 25 e 30ºC) agitation (50, 75 e 100 rpm), and the initial concentrations of both sucrose (150, 200 e 250 g.L-1) and yeast extract (2.0, 3.5 e 5.0g.L-1) on final levan concentration. Aerobic fermentation was performed batchwise in 500mL Pyrex flasks for 72 hours. Biomass, ethanol, levan and sucrose were determined at beginning and also at end of the fermentations. The experiments showed that the final levan concentration depended on initial sucrose concentration, temperature and agitation velocity and that the initial concentration of yeast extract did not influence levan production. However, when the production of ethanol and biomass were considered, it became evident that yeast extract was a significant variable. The best conditions for levan production occurred at 100 rpm agitation, 20ºC and 250g.L-1 of initial sucrose resulting in 14.67g.L-1 of levan.

Levana é um polissacarídeo extracelular, biologicamente ativo, não tóxico, contendo em sua estrutura apenas frutose. A maximização da produção de levana, por via fermentativa, pela linhagem de Zymomonas mobilis ZAG-12, foi estudada utilizando-se um planejamento fatorial de dois níveis 2(4-1), variando-se as concentrações iniciais de sacarose (150, 200 e 250 g.L-1) , extrato de levedura (2.0, 3.5 e 5.0 g.L-1), temperatura (20, 25 e 30ºC) e agitação (50, 75 e 100 rpm). As fermentações foram desenvolvidas por processos descontínuos em frascos Pyrex roscados, de 500 mL, contendo 300 mL de meio a base de sacarose, por 72 horas. No início e ao final do processo, foram dosados: biomassa, etanol, levana e sacarose como açúcares redutores totais. A análise dos dados mostra que o aumento da produção de levana depende tanto dos efeitos da concentração inicial de sacarose, temperatura e agitação, isoladamente, quanto da interação entre agitação e temperatura na faixa experimental estudada. O extrato de levedura não afeta a produção de levana, entretanto, quando a resposta é produção de etanol e biomassa, fica evidente que essa variável é significativa. Os resultados demonstraram que as melhores condições para a produção em batelada ocorreram com 250g/L de sacarose inicial, 100 rpm de agitação, a 20ºC.

Synthesis of sorbitol by Zymomonas mobilis under high osmotic pressure

The bacterium Zymomonas mobilis presents potential for sorbitol production when grown in culture medium with high sugar concentration. Sorbitol is produced and accumulated in the periplasma of the bacterium to protect the cells from the harmful effects of high osmotic pressure that results from the action of invertase on sucrose. The conversion of sucrose into glucose and fructose increases the osmolarity of the medium. However, an excessive increase in the osmotic pressure may decrease the sorbitol production. In this work Saccharomyces cerevisiae invertase was added two media containing sucrose 200 and 300 g.L-1. Sorbitol production in sucrose at 200 g.L-1 was 42.35 and 38.42 g.L-1, with and without the invertase treatment, respectively. In the culture medium with 300 g.L-1 sucrose, production reached 60.4 g.L-1 and with invertase treatment was 19.14 g.L-1. These results indicated that the excessive rise in osmotic pressure led to a significant decrease in sorbitol production by the Zymomonas mobilis bacterium in the sucrose medium treated with invertase.

A bactéria Zymomonas mobilis, apresenta potencial para produção de sorbitol quando crescida em meio com alta concentração de açúcar. O sorbitol produzido é acumulado no periplasma da bactéria para conter os efeitos prejudiciais da elevada pressão osmótica, que resulta pela ação da enzima invertase, que promove hidrólise da sacarose. A conversão da sacarose em glicose e frutose aumentando a osmolaridade do meio. Entretanto, um aumento excessivo na pressão osmótica pode inibir a produção de sorbitol pela bactéria. Este trabalho empregou invertase de Saccharomyces cerevisiae nos meios de fermentação com sacarose a 200 e 300 g.L-1. A produção de sorbitol no meio com sacarose a 200 g.L-1 foi de 42,35 g.L-1 e 38,42 g.L-1 com e sem tratamento com invertase respectivamente. No meio com 300 g.L-1 sem tratamento, a produção foi de 60,42 e com tratamento 19,14 g.L-1. Estes resultados indicaram que a elevação excessiva da pressão osmótica, pela adição de invertase levou a uma diminuição significativa na produção de sorbitol pela bactéria Zymomonas mobilis.

Ethanolic fermentation of sucrose, sugarcane juice and molasses by Escherichia coli strain ko11 and Klebsiella oxytoca strain P2

Escherichia coli KO11 and Klebsiella oxytoca P2 recombinants fermented sucrose to ethanol. In minimal medium with 2% or 12% added sucrose KO11 produced 75% and 41%, respectively, of the maximum theoretical yield (0.54g ethanol/g sucrose). In Luria-Bertani (LB) broth with up to 8% sucrose, KO11 presented a 94-96% yield and with 12% sucrose, KO11 presented about 69% yield (44.5g ethanol/L). P2 presented 55% of the theoretical maximum yield in minimal medium supplemented with 2% sucrose and 47% of the maximum in 12% sucrose. In LB broth with 2 or 4% sucrose, P2 presented 94-95% of the theoretical maximum yield, which fell to 73% with 8% added sucrose (31.4g ethanol/L) and 58% with 12% sucrose (37.5 g/L). Volumetric productivity in LB broth containing 2% sucrose was 0.41 g/L/h for KO11 and 1.1 g/L/h for P2, while in LB broth with 12% added sucrose, productivity was 0.96 g/L/h (KO11) and 1.4 g/L/h (P2). During fermentation of sugar cane juice by E. coli KO11 and K. oxytoca P2 produced 39.4 g/L and 42.1 g/L ethanol when supplemented with 0.5% yeast extract, micronutrients and thiamine. In sugar cane juice supplemented with LB broth ingredients, KO11 ethanol fermentation was inhibited with production of only 23.0 g ethanol/L, while P2 produced 44.2 g/L. Ethanol production by KO11 and P2, respectively, in sugarcane juice was a) 25.3 and 30.2 g/L with 0.2% ammonium sulfate, b) 24.9 and 31.6 g/L with ammonium sulfate and micronutrients, c) 25.6 and 37.5 g/L with ammonium sulfate, micronutrients and thiamine. During molasses fermentation E. coli KO11 presented low ethanol production and high lactic acid production. K. oxytoca P2 produced 25 g ethanol/L in molasses diluted 10-fold in water, with or without addition of 0.5% yeast extract, and 27.8 g/L with addition of LB broth ingredients after 96h. P2 produced 24.5, 26.9, and 28.0 g ethanol/L in molasses diluted 10-fold in vinasse, vinasse with 0.5% added yeast extract and with LB broth ingredients, respectively.

As bactérias recombinantes Escherichia coli KO11 e Klebsiella oxytoca P2 fermentaram sacarose a etanol. Em meio mínimo com 2% ou 12% de sacarose, KO11 apresentou, respectivamente, 75% e 41% do rendimento máximo teórico (0,54g de etanol/g de sacarose). No caldo Luria-Bertani (LB) com até 8% de sacarose, KO11 apresentou rendimento de aproximadamente 94-96% e com 12% de sacarose, KO11 apresentou cerca de 69% de rendimento (44,5g de etanol/L). A porcentagem do rendimento máximo teórico obtida com P2 em meio mínimo com 2% de sacarose foi de 55% e com 12% de sacarose foi de 47%. Em LB com 2 ou 4% de sacarose, P2 apresentou 94-95% do rendimento máximo teórico, porém somente cerca de 73% com 8% de sacarose (31,4g de etanol/L) e 58% com 12% de sacarose (37,5 g/L). A produtividade volumétrica em LB contendo 2% de sacarose foi de 0,41 g/L/h para KO11 e de 1,1 g/L/h para P2, enquanto que em LB com 12% de sacarose, a produtividade foi 0,96 g/L/h (KO11) e 1,4 g/L/h (P2). Durante a fermentação do caldo de cana, E. coli KO11 e K. oxytoca P2 produziram, respectivamente, 39,4 g de etanol/L e 42,1 g/L quando suplementado com 0,5% de extrato de levedura, micronutrientes e tiamina. No caldo de cana suplementado com os reagentes do meio LB, KO11 apresentou forte inibição da fermentação alcoólica, produzindo apenas 23,0 g de etanol/L, enquanto que P2 produziu 44,2 g/L. A produção de etanol por KO11 e P2, no caldo de cana suplementado com a) 0,2% de sulfato de amônio foi, respectivamente: 25,3 e 30,2 g/L, b) com sulfato de amônio e micronutrientes: 24,9 e 31,6 g/L, c) com sulfato de amônio, micronutrientes e tiamina: 25,6 e 37,5 g/L. Durante a fermentação do melaço, E. coli KO11 apresentou baixa produção de etanol e alta produção de ácido láctico. K. oxytoca P2 produziu 25 g de etanol/L a partir de melaço diluído 10X em água, com ou sem adição de 0,5% de extrato de levedura e 27,8 g/L com reagentes do caldo LB após 96h. P2 produziu 24,5, 26,9, e 28,0 g de etanol/L em melaço diluído 10X em vinhoto, vinhoto com 0,5% de extrato de levedura e com os reagentes do caldo LB, respectivamente.

Activity of glucose-fructose oxidoreductase in fresh and permeabilised cells of Zymomonas mobilis grown in different glucose concentrations

Previously grown cells of the ethanologenic bacterium Zymomonas mobilis produce sorbitol and gluconic acid, in reactions catalysed by the periplasmic enzymes glucose-fructose oxidoreductase (GFOR) and glucono-delta-lactonase (GL). The GFOR/GL system activity, in cells to be used in this bioconversion, depends on growth conditions. In batch runs, with initial glucose concentrations (S0) from 42 to 230 g/L, the highest specific and total GFOR/GL activities were obtained with S0 = 153 g/L (12.6 U/g cells and 62 U/L). Higher S0 led to decreasing activities in fresh cells. With S0 = 209 g/L, the final specific activity was only 7.0 U/g. After disruption of cells, however, an activity over 15 U/g was revealed. Since growth inhibition with S0 over 153 g/L was observed in batch mode, fed-batch runs, equivalent to a batch of 230 g/L, were done. Although no growth inhibition occurred in fed-batch cultivation, enzyme activity remained low (5.2 U/g). A further fed-batch experiment, carried out under low pressure to remove ethanol from the medium, resulted in a specific activity of 9.8 U/g and a total activity of 68.7 U/L. These results indicate that the low GFOR/GL activities in Z. mobilis cells grown on higher S0 were due to changes in the cell wall, caused by high concentration of ethanol, that hindered the transport of the substrate to the intracellular enzymes in biconversion runs. This conclusion was confirmed by bioconversion runs with cells cultivated under different conditions.

Sorbitol e ácido glucônico são produzidos por células previamente cultivadas da bactéria produtora de etanol Zymomonas mobilis pela ação das enzimas periplasmáticas glicose-frutose oxidorredutase (GFOR) e glucono-delta-lactonase (GL). A atividade de GFOR/GL em células a serem empregadas nesta bioconversão depende das condições de crescimento. Em cultivo em regime descontínuo, com concentrações iniciais de glicose (S0) entre 42 e 230 g/L, as maiores atividades específica e total de GFOR/GL foram obtidas com S0 = 153 g/L (12,6 U/g de células e 62 U/L), enquanto maiores S0 levaram a atividades decrescentes em células não tratadas. Com S0 = 209 g/L, a atividade específica final foi de 7 U/g, mas, após a ruptura das células, atividade superior a 15 U/g foi medida. Uma vez que em descontínuo observou-se inibição por substrato com S0 a partir de 153 g/L, ensaios em regime descontínuo alimentado, com glicose equivalente a 230 g/L em descontínuo, foram realizados. Embora a inibição pelo substrato tenha sido superada, a atividade permaneceu baixa (5,2 U/g). Um novo ensaio em descontínuo alimentado, conduzido sob baixa pressão para remover o etanol do meio, resultou em atividade específica de 9,8 U/g e total de 68,7 U/L. Estes resultados indicam que as baixas atividades em células de Z. mobilis cultivadas com maiores S0 se deveram a mudanças na parede celular, provocadas por concentrações elevadas de etanol, que dificultaram o transporte de substrato para as enzimas intracelulares durante a bioconversão. Esta conclusão foi confirmada em ensaios de bioconversão com células provenientes de cultivos em diferentes condições.

Zymomonas mobilis: a promising microrganism for alcoholic fermentation / Zymomonas mobilis: um microrganismo promissor para a fermentação alcoólica

In many countries,  fermentation studies  regarding  the use of bacteria  instead of yeasts  to reduce  the period of alcoholic fermentation have been carried out. In Brazil, all the industrial alcohol production is carried out by yeasts as fermentation microorganisms and little is known about other microorganisms with potential to produce alcohol industrially. Brazil stands out in the energy sector worldwide and thus some institutions have been selecting microorganisms which are more effcient in the alcohol production process. Alcoholic bacteria from species Zymomonas mobilis present technological characteristics with potential to be used for alcoholic fermentation at industrial scale, since it exhibits promising abilities to transform sugars into alcohol and carbon dioxide, at conditions similar to the ones required by yeasts. Zymomonas mobilis  is  a  unique  bacteria  among  the microbial world, with  peculiar  growth,  energy production and  response  to culture conditions, causing a great  interest  in  scientifc, biotechnological and  industrial  felds. The  bacterias  ability  to make  possible  energy production  in  favor  of  product formation, respond to physical and chemical environmental manipulation as well as its limited product formation make  it an  ideal microorganism  for  the study and development of microbial processes  for ethanol production.

Em vários países  têm sido realizados estudos de fermentação que  incluem o uso de bactérias em vez de leveduras para reduzir o tempo de fermentação alcoólica. No Brasil, toda a produção industrial de álcool  é  realizada utilizando  leveduras  como microrganismo da  fermentação  e pouco  se  conhece de outros microrganismos que produzam álcool a nível industrial. Em virtude da situação de destaque em que se encontra o Brasil a nível mundial no setor energético, algumas  instituições vêm selecionando microrganismos mais efcientes no processo de produção de álcool. As bactérias alcoólicas da espécie Zymomonas mobilis apresentam atributos tecnológicos que potencializam o seu emprego na fermentação alcoólica em escala industrial, pois possui habilidades promissoras de transformar açúcares em etanol e gás carbônico, em condições comparáveis àquelas exigidas pelas  leveduras. Zymomonas mobilis é uma bactéria única dentro do mundo microbiano,  com  crescimento, produção de  energia  e  resposta às condições de cultura extremamente peculiares, causando um grande interesse no mundo científco, biotecnológico e industrial. A habilidade da bactéria em acoplar e desacoplar a produção de energia a favor da formação do produto, responder à manipulação física e química do ambiente, bem como sua limitada formação de produtos tornam-a um microrganismo ideal para o estudo e desenvolvimento de pr

Zymomonas mobilis: a promising microrganism for alcoholic fermentation / Zymomonas mobilis: um microrganismo promissor para a fermentação alcoólica

In many countries,  fermentation studies  regarding  the use of bacteria  instead of yeasts  to reduce  the period of alcoholic fermentation have been carried out. In Brazil, all the industrial alcohol production is carried out by yeasts as fermentation microorganisms and little is known about other microorganisms with potential to produce alcohol industrially. Brazil stands out in the energy sector worldwide and thus some institutions have been selecting microorganisms which are more effcient in the alcohol production process. Alcoholic bacteria from species Zymomonas mobilis present technological characteristics with potential to be used for alcoholic fermentation at industrial scale, since it exhibits promising abilities to transform sugars into alcohol and carbon dioxide, at conditions similar to the ones required by yeasts. Zymomonas mobilis  is  a  unique  bacteria  among  the microbial world, with  peculiar  growth,  energy production and  response  to culture conditions, causing a great  interest  in  scientifc, biotechnological and  industrial  felds. The  bacterias  ability  to make  possible  energy production  in  favor  of  product formation, respond to physical and chemical environmental manipulation as well as its limited product formation make  it an  ideal microorganism  for  the study and development of microbial processes  for ethanol production.

Em vários países  têm sido realizados estudos de fermentação que  incluem o uso de bactérias em vez de leveduras para reduzir o tempo de fermentação alcoólica. No Brasil, toda a produção industrial de álcool  é  realizada utilizando  leveduras  como microrganismo da  fermentação  e pouco  se  conhece de outros microrganismos que produzam álcool a nível industrial. Em virtude da situação de destaque em que se encontra o Brasil a nível mundial no setor energético, algumas  instituições vêm selecionando microrganismos mais efcientes no processo de produção de álcool. As bactérias alcoólicas da espécie Zymomonas mobilis apresentam atributos tecnológicos que potencializam o seu emprego na fermentação alcoólica em escala industrial, pois possui habilidades promissoras de transformar açúcares em etanol e gás carbônico, em condições comparáveis àquelas exigidas pelas  leveduras. Zymomonas mobilis é uma bactéria única dentro do mundo microbiano,  com  crescimento, produção de  energia  e  resposta às condições de cultura extremamente peculiares, causando um grande interesse no mundo científco, biotecnológico e industrial. A habilidade da bactéria em acoplar e desacoplar a produção de energia a favor da formação do produto, responder à manipulação física e química do ambiente, bem como sua limitada formação de produtos tornam-a um microrganismo ideal para o estudo e desenvolvimento de pr