Erythritol production from crude glycerol by Yarrowia species: strains comparison and oxygen influence

Abstract

The global emerge of metabolic disorders caused by excessive consumption of food with refined sugars triggered a demand for healthier options, such as low-calorie sweeteners. Erythritol is a natural sweetener with nearly 70 % of sucrose sweetness, that has no calories, is non-glycemic and is non-cariogenic. Industrially, this polyol is produced via fermentation from glucose by osmophilic/osmotolerant fungi. The production of erythritol by yeasts from Yarrowia genus can be affected by several parameters, such as yeast strain, operational conditions and dissolved oxygen concentration (DOC) in the medium. The main goal of the present work was the study of erythritol production by different yeast strains of Yarrowia genus, from crude glycerol derived from biodiesel production. The performance of three strains of Y. lipolytica and two of Y. divulgata was compared in flasks batch culture. Erythritol and mannitol production, as well as, cellular growth and glycerol consumption were monitored for 7 days. Y. lipolytica species proved to be the most suitable for the production of erythritol, under the tested conditions, being the strains Y. lipolytica W29 (ATCC 20460) and Y. lipolytica Ch 3/4 the ones that produced the highest concentration (34 and 25 g·L-1), leading to highest yield (38 % w/w) and productivity of erythritol (0.20 and 0.15 g·L-1h -1). In a stirred tank reactor (STR), the effect of different operational conditions on kLa values were analysed. The highest experimental kLa value (162 h-1) was observed in the experiment with the conditions of 3 vvm of aeration rate and 900 rpm of stirring rate. These conditions were found to be optimal for erythritol production and they also prevented the exhaustion of DOC in the medium. The scale-up of the bioprocess, with the strain W29 and the strain Ch 3/4 allowed a 2.4-fold and a 3.3-fold increase on productivity, respectively, reducing the operation time from 168 hours to only 72 hours. The erythritol concentration produced (35 g·L-1), the erythritol yield (40%, w/w) and the erythritol productivity (0.5 g·L-1·h-1) were approximately equal for both strains. A stepwise fed-batch experiment with the addition of glycerol pulses was also performed as alternative of using high initial glycerol concentration in batch mode experiments, that was not successful. The stepwise fed-batch strategy allowed to reach almost the double of erythritol concentration for both strains, without decreasing global productivity. The best results of erythritol concentration (64 g·L-1), yield (42 % w/w) and productivity (0.45 g·L-1·h-1) were obtained in the experiments with Y. lipolytica W29.

O aparecimento global de distúrbios metabólicos causados pelo consumo excessivo de alimentos com açúcares refinados, levou a uma crescente procura por opções mais saudáveis, como é o caso dos adoçantes com baixas calorias. O eritritol é um adoçante natural com cerca de 70 % da doçura da sacarose, que não possui calorias, é não-glicémico e é não-cariogénico. Industrialmente, este poliól é produzido via fermentação a partir de glucose por fungos osmofílicos/osmotolerantes. A produção de eritritol por leveduras do género Yarrowia pode ser afetada por diversos parâmetros tais como a estirpe da levedura, as condições de operação e a concentração de oxigénio dissolvido no meio. O principal objetivo deste trabalho foi o estudo da produção de eritritol, por diferentes estirpes de levedura do género Yarrowia, a partir de glicerol bruto derivado da produção do biodiesel. Em cultura descontínua em matraz foi comparado o desempenho de três estirpes de Y. lipolytica e de duas de Y. divulgata. A produção de eritritol e manitol, bem como o crescimento celular e o consumo de glicerol foram monitorizados durante 7 dias. A espécie Y. lipolytica foi a mais adequada para a produção de eritritol nas condições testadas, sendo as estirpes Y. lipolytica W29 (ATCC 20460) e Y. lipolytica Ch 3/4 aquelas que produziram uma maior concentração (34 e 25 g/L), rendimento (38 % p/p) e produtividade em eritritol (0,20 e 0,15 g/L/h). Num reator do tipo tanque agitado foi analisado o efeito de diferentes condições de operação no valor experimental de kLa. O maior valor experimental de kLa (162 h-1) foi observado no ensaio com as condições de taxa de arejamento de 3 vvm e taxa de agitação de 900 rpm. Estas condições foram consideradas as ideais para a produção de eritritol, prevenindo ainda o esgotamento da concentração de oxigénio dissolvido no meio. Com o aumento de escala do processo observou-se um aumento de cerca de 2,4 vezes para a estirpe W29 e de 3,3 vezes para a estirpe Ch 3/4, na produtividade, sendo o tempo de ensaio reduzido de 168 horas para apenas 72 horas. A concentração de eritritol produzida (35 g/L), o rendimento em eritritol (40 % p/p) e a produtividade em eritritol (0,5 g/L/h) foram aproximadamente iguais para ambas as estirpes. Foram também realizados ensaios em modo semí-contínuo com a adição de um pulso de glicerol como alternativa ao uso de elevadas concentrações iniciais de glicerol bruto em ensaios em modo descontínuo, que não foi bem sucedido. A estratégia em modo semi-contínuo com pulso de glicerol permitiu que se atingisse quase o dobro da concentração de eritritol para ambas as estirpes, sem que se tenha observado uma diminuição da produtividade global. Os melhores resultados de concentração de eritritol (64 g/L), rendimento em eritritol (42 % p/p) e produtividade em eritritol (0,45 g/L/h) foram obtidos nos ensaios com a Y. lipolytica W29.