Evaluation of producing ethanol native yeasts present in sugar cane bagasse

Authors

  • Adrián González-Leos Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.
  • José Alfredo Del Angel-Del Angel Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.
  • José Luis González-Castillo Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.
  • Nadia Rodríguez-Durán Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.
  • Guadalupe Bustos-Vázquez Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.

DOI:

https://doi.org/10.29059/cienciauat.v11i2.791

Keywords:

native yeasts, ethanol, sugar cane bagasse, hemicelulosic hydrolyzate.

Abstract

The chemical or enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse, allows the obtaining of fermentable sugars used in the biotechnological production of ethanol by using commercial or native yeasts obtained from different lignocellulosic materials. The purpose of this study was to assess the production capacity of ethanol from a native yeast strain isolated in YPD and hydrolyzed sugar cane bagasse concentrated up to 75 %. Using as study variables the type of strain and processing time, a multivariate analysis (ANOVA) was performed for its evaluation. The results achieved with the selected strain UAT-3, were 0.441 7 g/g for YP/S and 0.076 7 g/L·h to 120 h for QP. The process conditions used in the present study allowed to isolate and select native strains of Sacharomyces cereviseae, with characteristics suitable to be used in industrial biotechnological proceses of ethanol production, using as substrate residues or by-products derived from the sugar industry such as bagasse of sugar.

 

Author Biographies

Adrián González-Leos, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.

Profesor de horario libre, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Universidad Autónoma de Tamaulipas

José Alfredo Del Angel-Del Angel, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.

Profesor de carrera y tiempo completo, integrante del C. A. Ciencia y Tecnología Agroalimentaria. Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Universidad Autónoma de Tamaulipas

José Luis González-Castillo, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.

Profesor de horario libre, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Universidad Autónoma de Tamaulipas

Nadia Rodríguez-Durán, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.

Profesor de horario libre, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Universidad Autónoma de Tamaulipas

Guadalupe Bustos-Vázquez, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Blvd. Enrique Cárdenas González núm. 1201, col. Jardín, Ciudad Mante, Tamaulipas, México, C.P. 89840.

Profesor Investigador, lider del C. A. Ciencia y Tecnología Agroalimentaria. Unidad Académica Multidisciplinaria Mante, Universidad Autónoma de Tamaulipas

References

Agüero-Rodríguez, J. C., Tepetla-Montes, J. y Torres-Beristaín, B. (2015). Producción de biocombustibles a partir de la caña en Veracruz, México: perspectivas y riesgos socio-ambientales. CienciaUAT. 9(2): 74-84.

Aguilar, R., Ramírez, J., Garrote, G., and Vázquez, M. (2002). Kinetic study of the acid hydrolysis of sugar cane bagasse. Journal of Food Engineering. 55(4): 309–318.

Aguilar-Rivera, N. (2007). Bioetanol de la caña de azúcar. Avances en Investigación Agropecuaria. Revista

AIA. 11(3): 25-39.

Aguilar-Rivera, N. (2011). Efecto del almacenamiento de bagazo de caña en las propiedades físicas de celulosa grado papel. Ingeniería investigación y tecnología. 12(2): 189-197.

Aguilar-Rivera, N. (2013). Análisis de la productividad de etanol de caña de azúcar en ingenios azucareros de México. Universidad Autónoma del Estado de México, Toluca, México. Ciencia Ergo Sum. 20(1): 17-28.

Albuquerque-Wanderley, M., C., Martín, C., Moraes-Rocha, J. G., and Ribeiro-Gouveia, E. (2013). Increase in ethanol production from sugarcane bagasse based on combined pretreatments and fed-batch enzymatic hy drolysis. Bioresource Technology. 128: 448–453.

Antunes, F. A. F., Chandel, A. K., Milessi, T. S. S., Santos, J. C., Rosa C. A., and da-Silva, S. S. (2014). Bioethanol production from sugarcane bagasse by a novel Brazilian pentose fermenting yeast Scheffersomycesshehatae UFMG-HM 52.2: Evaluation of fermentation medium. International Journal of Chemical Engineering. (1): 1-8.

Attfield, P. V. and Ketsas, S. (2000). Hyper-osmotic stress response by strains of baker’s yeasts in high sugar concentration medium. Letters in Applied Microbiology. 31(4): 323–327.

Boussarsar, H., Rogé, B., and Mathlouthi, M. (2009). Optimization of sugarcane bagasse conversion by hydrothermal treatment for the recovery of xylose. Bioresource Technology. 100(24): 6537-6542.

Brooks, A. A. (2008). Ethanol production potential of local yeast strains isolated from ripe banana peels.

African journal of Biotechnology. 7(20): 3749-3752.

Carballo, F. (2000). Microbiología industrial: Microorganismos de interés industrial. España: Editorial Acribia. 31 Pp.

Caridi, A. (2003). Effect of protectants on the fermentation performance of wine yeasts subjected to osmotic

stress. Food Technology Biotechnology. 41(2): 145-148.

Carreón-Rodríguez, O. E., Ramos-López, A. S., Centeno-Leija, S., Leal-Reyes, L. J., Martínez-Jiménez, A., and Fernández-Sandival, M. T. (2009). Etanol carburante. Biotecnología. 13(3): 79-102.

Ceccato-Antonini, S. R., Davis-Tosta, Ch., and da-Silva, A. C. (2004). Determination of yeast killer activity in fermenting sugarcane juice using selected ethanol-making strains. Brazilian Archives of Biology and Technology. 47(1): 13-23.

Chandel, A. K., Chandrasekhar, G., Radhika, K., Ravinder, R., and Ravindra, P. (2011). Bioconversion of pentose sugars into ethanol: A review and future directions.Biotechnology and Molecular Biology Review. 6(1): 8-20.

Chandler, C., Villalobos, N., González, E., Arenas, E., Mármol, Z., Ríos, J. y Aiello-Mazzarri, A. (2012). Hidrólisis ácida diluida en dos etapas de bagazo de caña de azúcar para la producción de azúcares fermentables. Multiciencias. 12(3): 245-253.

Choi, G. W, Kang, H. W., and Moon, S. K. (2009). Repeated-batch fermentation using flocculent hybrid, S. cerevisiae for the efficient production of bioethanol. Applied Microbiology and Biotechnology. 84(2): 261–269.

Felipe, M. G. A., Veira, M. V., Vitolo, M., Mancilha, I. M., Roberto, I. C., and Silva, S. S. (1995). Effect of acetic acid on xylose fermentation to xylitol by Candida guilliermondii. Journal of Basic Microbiology. 35(3): 171–177.

Fernández, T., Martín, C. y Taherzadeh, M. (2009). Evaluación de cepas industriales de Saccharomyces cerevisiae para la obtención de etanol a partir de fuentes que no afectan la producción de alimentos. ATAC. 1: 5-10.

Ferrer, J. R, Páez, G., Arenas-De-Moreno, L., Chandler, C., Mármol, Z. y Sandoval, L. (2002). Cinética de la hidrólisis ácida de bagacillo de caña de azúcar. Revista de la Facultad de Agronomía. 19(1): 23-33.

Field, S. J., Ryden, P., Wilson, D., James, S. A., Roberts, I. N., Richardson, …, and Clarke, T. A. (2015). Identification of furfural resistant strains of Saccharomyces cerevisiaeand Saccharomyces paradoxus from a collection of environmental and industrial isolates. Biotechnology for Biofuels. 8(1): 1-8.

García, M., Quintero, R. y Lopez, A. (1998). Biotecnología Alimentaria. México: Editorial LIMUSA S.A. 619 Pp.

Gómez-Ruiz, S. E., De-los-Ríos-Deras, G. C., Soto-Cruz, N. O., López-Miranda, J. y Rutiaga-Quiñones, O. M. (2007). Capacidad fermentativa de cepas de Saccharomyces cerevisiae nativas de la región productora de mezcal de Durango, en XIII Congreso Nacional de Biotecnología y Bioingeniería VII, Simposio Internacional de Producción de Alcoholes y Levaduras. Durango. [En línea]. Disponible en: http://www.smbb.com.mx/congresos%20smbbacpulco09/TRABAJOS/AREA_X/CX-18.pdf. Fecha de consulta: 24 de noviembre de 2015.

Guarnizo-Franco, A., Martínez-Yépes, P. N., and Valencia- Sánchez, H. A. (2009). Pretratamientos de la celulosa y biomasa para la sacarificación. Scientia et Technica. 2(42): 284-289.

Huerta-Beristain, G., Utrilla, J., Hernández-Chavez, G., Bolívar, F., Gosset, G., and Martínez, J. (2008). Specific ethanol production rate in ethanologenic Escherichia coli strain KO11 is limited by pyruvate decarboxylase. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 15(1): 55-64.

Ingram, L. O. and Buttke, T. M. (1985). Effects of alcohols on microorganisms. Advances in microbial physiology. 25: 253-300.

Jones, S. R. P., Pammen, T. N., and Greenfield, P. F. (1981). Alcohol fermentation by yeasts. The effect of environmental and other variables. Process Biochememistry. 16(3): 42–49.

Joshi, V. K., Shah, P. K., and Kumar, K. (2005). Evaluation of peach cultivars for wine preparation. Journal of Food Science and Technology. 42(1): 83-89.

Kodama, S., Nakanishi, H., Arachchige, T., Piyamali, T. T., Isono, N., and Hisamatsu, M. (2013). A wild and tolerant yeast suitable for ethanol fermentation from lignocelluloses. Journal of Bioscience and Bioengineering. 115(5): 557-561.

Lappe-Oliveras, P., Moreno-Terrazas, R., Arrizón-Gaviño, J., Herrera-Suárez, T., García-Mendoza, A., and Gschaedler-Mathis, A. (2008). Yeasts associated with the production of Mexican alcoholic nondistilled and distilled Agave beverages. FEMS yeast research. 8(7): 1037–1052.

Larsson, S., Palmqvist, E., Hahn-Hägerdal, B., Tengborg, Ch., Stenberg, K., Zacchi, G., and Nilvebrant, N. O. (1999). The generation of fermentation inhibitors during dilute acid hydrolysis of softwood. Enzyme and Microbiology Technology. 24(3): 151–159.

Lopes, D. H. J. and Sola-Penna, M. (2001). Urea increases tolerance of yeast inorganic pyrophosphatase activity to ethanol: the other side of urea interaction with proteins. Archives of Biochemistry and Biophysics. 394 (1): 61–66.

Magliani, W., Conti, S., Gerloni, M., Bertolotti, D., and Polonelli, L. (1997). Yeast killer systems. Clinical Microbiology Reviews. 10(3): 369-400.

Malacrino, P., Tosi, E., Caramia, G., Prisco, R., and Zapparoli, G. (2005). The vinification of partially dried grapes: A comparative fermentation study of Saccharomyces cerevisiae strains under high sugar stress. Letters in Applied Microbiology. 40(6): 466–472.

Marquina, D., Santos, A., and Peinado, J. (2002). Biology of killer yeasts. International Microbiology. 5(2): 65-71.

Matiz, A., Torres, C. y Poutou, R. A. (2002). Producción de etanol con células inmovilizadas de Zymomonas mobilis spp. Revista MVZ Córdoba. 7(2): 216-223.

Mielenz, J. R. (2001). Ethanol production from biomass: technology and commercialization status. Current Opinion in Microbiology. 4(3): 324–329.

Mohanty, S., Ray, P., Swain, M. R., and Ray, R. C. (2006). Fermentation of cashew (Anacardium occidentale L.) “apple” into wine. Journal of Food Processing and Preservation. 30(3): 314-322.

Nally, M. C., Maturano, Y. P., Vázquez F. y Toro M. E. (2005). Comportamiento de una cepa salvaje de Saccharomyces cerevisiae killer y su isogénica sensible respecto de diferentes fuentes de nitrógeno en cultivos mixtos. Revista Argentina de Microbiología. 37(1): 73-77.

Nigam, J. N. (2001). Ethanol production from wheat straw hemicellulose hydrolysate by Pichia stipitis. Journal of Biotechnology. 87(1): 17– 27.

Oliart-Ros, R. M., Sánchez-Otero, M. G. y Manresa- Presas, Á. (2016). Utilización de microorganismos de ambientes extremos y sus productos en el desarrollo biotecnológico. CienciaUAT. 11(1): 79-90.

Oliva, J. M. (2003). Efecto de los productos de degradación originados en la explosión por vapor de biomasa de chopo sobre Kluyveromyces Marxianus. [En línea]. Disponible en: http://www.ucm.es/BUCM/tesis/bio/ucmt26833.pdf. Fecha de consulta: 27 de noviembre de 2015.

Orberá, T. (2004). Métodos moleculares de identificación de levaduras de interés biotecnológico. Revista Iberoamericana de Micología. 21: 15-19.

Ortiz-Zamora, O., Cortés-García, R., Ramírez-Lepe, M., Gómez-Rodríguez, J., and Aguilar-Uscanga, M. G. (2009). Isolation and selection of ethanol resistant and osmotolerant yeasts from Regional Agricultural Sources in Mexico. Journal of Food Process Engineering. 32 (5): 775-786.

Oviedo-Zumaqué, L., Lara-Mantilla, C. y Mizger-Pantoja, M. (2009). Levaduras autóctonas con capacidad fermentativa en la producción de etanol a partir de pulpa de excedentes de plátano Musa (AAB Simmonds) en el departamento de Córdoba, Colombia. Revista Colombiana de Biotecnología. 11(1): 40-47.

Palmqvist, E. and Hahn-Hägerdal, B. (2000a). Fermentation of lignocellulosic hydrolysates I: Inhibition and detoxification. Bioresource Technology. 74(1): 25–33.

Palmqvist, E. and Hahn-Hägerdal, B. (2000b). Fermentation of lignocellulosic hydrolysates II: Inhibitors and mechanisms of inhibition. Bioresource Technology. 74(1): 17-24.

Pandey, A., Soccol, C. R., Nigam, C., and Soccol, V. T. (2000). Biotechnological potential of agroindustrial residues I: Sugar cane bagasse. Bioresource Technology. 74(1): 69-80.

Pataro, C., Guerra, J. B., Petrillo-Peixoto, M. L., Mendonça-Hagler, L. C., Linardi, V. R., and Rosa, C. A. (2000). Comunidades de levadura y polimorfismo genético de la especie Saccharomyces cerevisiae asociada a una fermentación artesanal en Brasil. Journal Applied Microbiology. 89(1): 24-31.

Purwadi, R., Niklasson, C., and Taherzadeh, M. J. (2004). Kinetic study of detoxification of dilute-acid hydrolyzates by Ca(OH)2. Journal of Biotechnology. 114(1): 187–198.

Saha, P., Baishnab, A. C., Alam, F., Khan, M. R., and Islam, A. (2014). Production of bio-fuel (bio-ethanol) from biomass (pteris) by fermentation process with yeast. Procedia Engineering. 90: 504–509.

Schwan, R. F., Mendonça, A. T., Da-Silva, J. J., Rodrigues, V., and Wheals, A. E. (2001). Microbiology and physiology of Cachaça (Aguardente) fermentations. Antonie van Leeuwenhoek. 79(1): 89–96.

Suleiman, L. N. (2010). Renewable energy as a solution to Nigerian energy crisis. VUAS. 13-19.

Tuite, M. F. and Oliver, S. G. (1991). Saccharomyces. Biotechnology Handbooks, chapter 8, Culture Systems. New York: Plenum Press. 282 Pp.

Yeon-Ju, L., Yu-Ri, Ch., So-Young, L., Jong-Tae, P., Jae-Hoon, S., Kwan-Hwa, P., and Jung-Wan, K. (2011). Screening wild yeast strains for alcohol fermentation from various fruits. Mycobiology. 39(1): 33-39.

Yong-Jin, K., An-Zhou, M., Qian, L., Feng, W., Guo-Qiang, Z., and Chun-Zhao, L. (2011). Effect of lignocellulosic inhibitory compounds on growth and ethanol fermentation. Bioresource Technology. 102(17): 8099-8104.

Zumalacárregui-De-Cárdenas, L. M., Pérez-Ones, O., Rodríguez-Ramos, P. A., Zumalacárregui-De-Cárdenas, B. M., and Lombardi, G. (2015). Potencialidades del bagazo para la obtención de etanol frente a la generación de electricidad. Ingeniería, Investigación y Tecnología. 16(3): 407–418.

Zyl, C. V., Prior, B. A., and Du-Preez, J. C. (1991). Acetic acid inhibition of D-xylose fermentation by Pichia stipitis. Enzyme Microbiology Technology. 13(1): 82–86.

Published

2017-01-30

How to Cite

González-Leos, A., Del Angel-Del Angel, J. A., González-Castillo, J. L., Rodríguez-Durán, N., & Bustos-Vázquez, G. (2017). Evaluation of producing ethanol native yeasts present in sugar cane bagasse. CienciaUAT, 11(2), 80–92. https://doi.org/10.29059/cienciauat.v11i2.791

Issue

Section

Biotechnology and Agricultural Sciences