Soybean hull integrated biorefinery with citric acid pretreatment for the production of lactic acid, xylooligosaccharides, and microbial lipids

Abstract

Resumo: Atualmente há um crescente interesse por novas alternativas para produção de materiais e energia que reduzam a dependência dos combustíveis fósseis e favoreçam a sustentabilidade de processos industriais, no contexto de uma bioeconomia neutra em carbono. A cadeia de produção de soja se estabelece cada vez mais como um importante setor do agronegócio brasileiro, com resultados econômicos crescentes. A casca de soja, um importante subproduto da sua indústria, possui em sua composição altas concentrações de polissacarídeos e baixa presença de lignina. Devido a isso, sua exploração em biorrefinarias lignocelulósicas para produção de diferentes biomoléculas de valor agregado é uma promissora oportunidade de negócio, gerando maior retorno econômico, além de incentivar práticas sustentáveis de economia circular. No presente trabalho, avaliou-se a aplicação de um pré-tratamento com ácido cítrico à casca de soja, para posterior produção de bioprodutos de valor agregado por via bioquímica, como ácido lático, lipídios microbianos e prebióticos, como forma de valorizar a cadeia industrial de soja. Os resultados indicaram desempenho satisfatório nas condições otimizadas de pré-tratamento (4.2% de ácido cítrico, razão líquido:sólido (RLS) de 5, 105 min, 120 °C), com elevada preservação das frações celulósicas da casca de soja, elevada produção de açúcares redutores totais (103.2 g/L), e conversões enzimáticas variando entre 72.3 e 99.5%. A fermentação do hidrolisado enzimático para produção de ácido lático por Lactobacillus pentosus atingiu 80.5% do rendimento teórico máximo após 24 h, com uma taxa de conversão de 0.724 g/g de açúcares para ácido lático. Além disso, foram produzidos 47,8 mg/g de xilooligossacarídeos (XOS) a partir da fração líquida do pré-tratamento. Para produção de lipídios microbianos, foi utilizada a levedura oleaginosa Rhodosporidium toruloides, com acúmulo máximo de 30.86% de lipídios intracelulares, resultando em uma concentração de 5.01 g/L de lipídios após 72 h. Além disso, avaliou-se o escalonamento inicial do processo em escala de bancada de 2 L, resultando em 36.8% de acúmulo total após 96 h, com os ácidos graxos mais predominantes sendo palmítico, esteárico, oleico, linoleico e alfa-linoleico. Os resultados obtidos demonstram um grande potencial no uso da casca de soja em bioprocessos integrados à indústria da soja, podendo levar à diversificação de seu portfólio de produtos e uma maior implementação global de bioeconomia neutra em carbono para a sociedade

Abstract: Currently, there is a growing interest in new alternatives for material and energy production that reduce dependence on fossil fuels and favor the sustainability of industrial processes, within the context of a carbon-neutral bioeconomy. The soybean production chain is increasingly establishing itself as an important sector of Brazilian agribusiness, with growing economic results. Soybean hull, a significant byproduct of its industry, contains high concentrations of polysaccharides and reduced lignin content. Due to this, its exploitation in lignocellulosic biorefineries for the production of different value-added biomolecules is a promising business opportunity for greater economic revenue, as well as improving the implementation of sustainable practices of circular economy. In the present study, the application of a citric acid pretreatment to soybean hull was evaluated for subsequent production of value-added bioproducts via biochemical pathways, such as lactic acid, microbial lipids, and prebiotics, for the valorization of the soybean industrial chain. The results indicated satisfactory performance under optimized pretreatment conditions (4.2% citric acid, liquid-tosolid ratio of 5, 105 min, and 120 °C), with high preservation of the cellulose fractions of soybean hull, high production of total reducing sugars (103.2 g/L), and enzymatic conversions ranging from 72.3 to 99.5%. Fermentation of the enzymatic hydrolysate for lactic acid production by Lactobacillus pentosus achieved 80.5% of the maximum theoretical yield after 24 h, with a conversion rate of 0.724 g/g of sugars to lactic acid. Additionally, 47.8 mg/g of xylooligosaccharides (XOS) were produced from the liquid fraction of the pretreatment. For microbial lipid production, the oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides was used, with a maximum accumulation of 30.86% of intracellular lipids, resulting in a concentration of 5.01 g/L of lipids after 72 h. Furthermore, initial process scaling was evaluated on a 2 L bench scale, achieving 36.8% of total accumulation after 96 h, while the most predominant fatty acids presented were palmitic, stearic, oleic, linoleic and alpha-linoleic acids. The obtained results demonstrate the great potential of soybean hull as feedstocks for bioprocesses integration into the soybean industry, which could lead to diversification of its product portfolio and further global implementation of a carbon-neutral bioeconomy for society