dc.contributor.author | Mesquita, Thiago José Barbosa | |
dc.date.accessioned | 2018-02-20T20:26:22Z | |
dc.date.available | 2018-02-20T20:26:22Z | |
dc.date.issued | 2017-02-24 | |
dc.identifier.citation | MESQUITA, Thiago José Barbosa. Controle de biorreator com base em modelo de fluxos metabólicos : sintonia das condições de microaeração para maximização da produção de etanol por S. cerevisiae. 2017. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2017. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9468. | * |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/9468 | |
dc.description.abstract | Biofuels are alternatives to fossil fuels, and bioethanol produced from corn and sugarcane is one of the main liquid biofuel currently used. To reach ethanol production maximum yield, it is important to use all fermentable fractions found in cellulosic waste. These fractions are fermented anaerobically, which compromises the final yield of the product of interest, as well as cell viability. In addition, maximizing the conversion of these sugars to ethanol requires the development of a precise control of the dissolved oxygen supplementation to maintain the microaerobic condition. The present work had as objective to increase ethanol yield and productivity by using an innovative control strategy based on the metabolic flows. To implement the proposed control strategy, S. cerevisiae metabolism was simulated, in different glucose and oxygen supply conditions, using the Optflux software and the iND750 genomic scale model reconstructed for Saccharomyces cerevisiae. The combinations of oxygen and substrate fluxes were used to generate mathematical correlations, which were used to manipulate the air, nitrogen and fresh medium feed flows to direct the substrate and oxygen experimental flows to the ethanol production maximization as predicted by the simulations. The control logic was implemented in the SUPERSYS_HCDC program using the LabView 8.0 platform. The five cultivations, about 12 h each, were performed in fed batch mode into a 5 L bioreactor using commercial S. cerevisiae (baking yeast) and glucose as carbon source (30 g.L-1 culture medium and 300 g.L-1 feed medium) in minimal medium (KH2PO4 5,0 g.L-1, MgSO4.7H2O 2,0 g.L-1, Urea 1,5 g.L-1). The cell concentration was monitored during cultivation by optical density measurements (600 nm) and correlated with dry mass measurements. The sugars and metabolites concentration was measured by high-performance liquid chromatography (HPLC), cell viability was monitored by cell counting in Neubauer chamber, after methylene blue coloring. Ethanol yield was 0.48 gethanol. gsubstrate-1 for cultivations submitted to the metabolic fluxes control, which is very close to the theoretical yield (0.51 gethanol. gsubstrate-1). The cultivations conducted without the gas phase supply ("Usina" type) and strictly anaerobic, presented yield of 0.32 gethanol. gsubstrate-1. The closed-loop control strategy favored low cells yields (0.10 gcells. gsubstrate-1) and low glycerol yields (0.056 gglycerol. gsubstrate-1). However, even using the proposed control, the cultures presented a substrate accumulation caused by the natural product (ethanol) inhibition. The proposed control strategy can be extended to other processes, because it may maximize the production of any metabolite that is favored by microaerobic conditions. | eng |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | por |
dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas (FAPEAM) | por |
dc.language.iso | por | por |
dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
dc.rights.uri | Acesso aberto | por |
dc.subject | Bioetanol | por |
dc.subject | Controle de fluxos metabólicos | por |
dc.subject | Microaeração | por |
dc.subject | Fermentação alcoólica | por |
dc.subject | Saccharomyces cerevisiae | lat |
dc.subject | Bioethanol | eng |
dc.subject | Metabolic flux control | eng |
dc.subject | Microaeration | eng |
dc.subject | Alcoholic fermentation | eng |
dc.title | Controle de biorreator com base em modelo de fluxos metabólicos : sintonia das condições de microaeração para maximização da produção de etanol por S. cerevisiae | por |
dc.type | Dissertação | por |
dc.contributor.advisor1 | Horta, Antonio Carlos Luperni | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5923938048634505 | por |
dc.contributor.advisor-co1 | Zangirolami, Teresa Cristina | |
dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4546701843297248 | por |
dc.description.resumo | Biocombustíveis são alternativas aos combustíveis fósseis, sendo o bioetanol, produzido a partir do milho e cana de açúcar, um dos principais biocombustíveis líquidos utilizados atualmente. Para que a produção industrial de etanol atinja rendimento máximo é importante utilizar todas as frações fermentescíveis encontradas nos resíduos celulósicos. Estas frações são fermentadas anaerobicamente, o que compromete o rendimento final do produto de interesse, bem como a viabilidade celular. Além disso, a maximização da conversão desses açúcares em etanol requer o desenvolvimento de um controle preciso da suplementação de oxigênio dissolvido para manter a condição de microaerobiose. Neste sentido, o presente trabalho teve como objetivo aumentar o rendimento e a produtividade em etanol por meio da utilização de uma estratégia inovadora de controle, baseada nos fluxos metabólicos. Para o desenvolvimento e implementação da estratégia de controle proposta o metabolismo de S. cerevisiae, em diferentes condições de fornecimento de glicose e oxigênio, foi simulado utilizando o software Optflux e o modelo em escala genômica iND750, reconstruído para Saccharomyces cerevisiae. As combinações de fluxos de oxigênio e substrato ideais foram empregadas para gerar correlações matemáticas, que foram utilizadas para manipular as vazões de ar, de nitrogênio e da bomba de alimentação de meio fresco e direcionar os fluxos experimentais de substrato e oxigênio para a região de maximização da produção de etanol prevista pela simulação. A lógica de controle foi implementada no programa SUPERSYS_HCDC, utilizando a plataforma LabView 8.0. Os cinco cultivos de cerca de 12h foram realizados no modo batelada alimentada em biorreator de 5 L, utilizando S. cerevisiae comercial (fermento de panificação) e glicose (30 g.L-1 meio de cultivo e 300 g.L-1 meio de alimentação) como fonte de carbono em meio mínimo (5,0 g.L-1 de KH2PO4, 2,0 g.L-1 de MgSO4.7H2O, 1,5 g.L-1). A concentração celular foi acompanhada durante cultivo por medidas de densidade ótica (600 nm) e correlacionada com medidas de massa seca. A concentração de açúcares e metabólitos foi realizada pela cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), a viabilidade celular pela contagem em câmara de Neubauer, após coloração pelo azul de metileno. O rendimento de etanol foi de 0,48 getanol. gsubstrato-1 para os cultivos conduzidos sob o controle de fluxos metabólicos, valor muito próximo ao rendimento teórico (0,51 getanol. gsubstrato-1). Já no cultivo conduzido sem controle e sem fornecimento de fase gasosa (tipo “Usina”) e no cultivo estritamente anaeróbio foi observado um rendimento de 0,32 getanol. gsubstrato-1. A estratégia de controle em malha fechada favoreceu baixos rendimentos em células (0,10 gcélulas. gsubstrato-1) e em glicerol (0,056 gglicerol. gsubstrato-1). Contudo, mesmo com a lógica de controle, os cultivos apresentaram acúmulo de substrato provocado pela inibição natural pelo produto (etanol). A estratégia de controle proposta neste trabalho pode ser estendida a outros processos, pois maximiza a produção de qualquer metabólito que seja favorecido por condições microaeróbicas. | por |
dc.publisher.initials | UFSCar | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | por |
dc.ufscar.embargo | Online | por |
dc.publisher.address | Câmpus São Carlos | por |
dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/9908952129757043 | por |