Biocatalyst engineering applied to the synthesis of fatty xylose esters derived from the C-5 fraction of lignocellulosic residues
| dc.contributor.advisor1 | Tardioli, Paulo Waldir | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0808991927126468 | |
| dc.contributor.author | Souza, Leonardo de | |
| dc.contributor.authorlattes | https://lattes.cnpq.br/5597908810221416 | |
| dc.contributor.referee | Perna, Rafael Firmani | |
| dc.contributor.referee | Guimarães, José Renato | |
| dc.contributor.referee | Cansian, Ana Bárbara Moulin | |
| dc.contributor.referee | Bernardo, André | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/7591460969135629 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/4550733668734212 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/2791829789886693 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/5705402824877708 | |
| dc.date.accessioned | 2026-04-13T17:57:26Z | |
| dc.date.issued | 2026-03-16 | |
| dc.description.abstract | The growing demand for sustainable, low-environmental-impact surfactants has driven the development of biotechnological routes capable of converting renewable feedstocks into high-value products. In this context, the enzymatic synthesis of xylose fatty acid esters stands out as a promising alternative, particularly due to its potential do valorize the C5 fraction of lignocellulosic biomass, which remains underexploited in industrial applications. However, challenges related to low solubility of xylose, the limited stability of biocatalysts, and reduced catalytic efficiency in non-conventional media still hinder the implementation of these processes. This thesis aimed to develop and evaluate integrated strategies for the enzymatic production of xylose esters, addressing key gaps in biocatalyst engineering, reaction medium selection, and the use of biomass-derived feedstocks. Initially, the state of the art in the enzymatic synthesis of xylose esters was assessed through systematic literature mapping, enabling the identification of recurring strategies, limitations, and opportunities related to catalysts, acyl group donors, solvents, and downstream processing. The results indicated that lipases are the preferred biocatalysts for xylose ester synthesis. Additionally, solvent selection was identified as a crucial factor, with oleic acid, lauric acid, and methyl and vinyl esters being the most commonly employed acyl donors. Subsequently, post-treatment strategies were investigated for the commercial biocatalyst Novozym® 435. The results demonstrated that coating with polyethyleneimine followed by crosslinking with glutaraldehyde yielded more robust biocatalysts, resulting in a 2.3-fold increase in oleic acid conversion when a deep eutectic solvent was used to solubilize xylose, and a 1.5-fold increase when methyl ethyl ketone and tert-butanol were employed. In addition, post-treatment improved operational stability over successive reaction cycles, with approximately 75% retention of catalytic activity after five reuse cycles. A key advancement of this work was the use of a chloride–xylose deep eutectic solvent, which significantly enhanced xylose solubility, reaching concentrations above 600 mM, substantially higher than those observed in conventional organic solvents (7 mM in methyl ethyl ketone and 60 mM in tert-butanol). This increased solubility directly improved enzymatic performance, enabling higher conversion rates and high selectivity toward xylose monoesters. In parallel, the effects of different immobilization protocols and metal modification of the lipase Eversa® Transform 2.0 were evaluated, revealing variations in catalytic activity, thermal stability, and specificity. Spectroscopic analyses confirmed conformational changes in the immobilized enzymes, allowing correlation between immobilization pH and the observed hydrolytic activity and catalytic specificity. Finally, the feasibility of producing xylose esters from sugarcane bagasse was demonstrated through the integration of biomass pretreatment and enzymatic conversion steps. Pretreatment with acetic acid and hydrogen peroxide resulted in a fourfold increase in sugar release during enzymatic hydrolysis with xylanases, compared to untreated bagasse. Biocatalysts prepared by immobilizing Eversa® Transform 2.0 at pH 5 in the presence of 100 mM NaCl, followed by metal modification with MgCl₂, were evaluated. The non-metal-modified biocatalyst exhibited superior performance, achieving 15% oleic acid conversion and 63% xylose conversion. Overall, the modulation of biocatalyst properties through immobilization and post-treatment strategies, the use of deep eutectic solvents in xylose esterification, and the application of xylose derived from sugarcane bagasse significantly advance the field of applied biocatalysis for sugar ester synthesis. This findings provide concrete perspectives for the development of sustainable industrial routes for biosurfactant production. | eng |
| dc.description.resumo | A crescente demanda por surfactantes sustentáveis e de baixo impacto ambiental tem impulsionado o desenvolvimento de rotas biotecnológicas capazes de converter matérias-primas renováveis em produtos de alto valor agregado. Nesse contexto, a síntese enzimática de ésteres de ácidos graxos de xilose destaca-se como uma alternativa promissora, sobretudo por permitir a valorização da fração C5 da biomassa lignocelulósica, ainda pouco explorada em aplicações industriais. Entretanto, desafios associados à baixa solubilidade da xilose em solventes orgânicos, à limitada estabilidade dos biocatalisadores e à eficiência catalítica em meios não convencionais ainda restringem a implementação desses processos. Esta tese teve como objetivo desenvolver e avaliar estratégias integradas para a produção enzimática de ésteres de xilose, abordando lacunas relacionadas à engenharia do biocatalisador, à escolha do meio reacional e ao uso de matéria-prima derivada de biomassa lignocelulósica. Inicialmente, foi avaliado o estado da arte da síntese enzimática de ésteres de xilose, com aplicação dos princípios do mapeamento sistemático da literatura, a fim de identificar estratégias recorrentes, limitações e oportunidades associadas aos catalisadores, aos doadores de grupo acil, aos solventes e às etapas de purificação. Os resultados da busca mostraram que 87,18% dos estudos utilizavam catálise enzimática e que, entre esses, as lipases constituíam os biocatalisadores preferenciais para a síntese de ésteres de xilose. Adicionalmente, observou-se que a escolha do solvente é uma etapa crucial nesse processo e que os doadores de grupos acil mais utilizados foram o ácido oleico, o ácido láurico e ésteres metílicos e vinílicos, correspondendo a 16%, 16% e 47% dos casos reportados, respectivamente. Em seguida, foram investigadas estratégias de pós-tratamento do biocatalisador comercial Novozym® 435. Os resultados demonstraram que o revestimento com polietilenimina, seguido de reticulação com glutaraldeído, resultou em biocatalisadores mais robustos, promovendo aumento de 2,3 vezes na conversão de ácido oleico quando um solvente eutético profundo foi utilizado para solubilizar a xilose, e de 1,5 vez quando se empregaram metiletilcetona e terc-butanol. O pós-tratamento também conferiu maior estabilidade operacional ao biocatalisador em ciclos sucessivos de reação, com retenção de aproximadamente 75% da atividade catalítica após cinco ciclos consecutivos de reutilização. Um dos avanços centrais desta tese foi a utilização de um solvente eutético profundo à base de cloreto de colina e xilose, o qual proporcionou elevada solubilidade da xilose, atingindo concentrações superiores a 600 mM, valor expressivamente superior ao observado em solventes orgânicos convencionais, como metiletilcetona (7 mM) e terc-butanol (60 mM). O aumento da solubilidade da xilose refletiu-se diretamente no desempenho da síntese enzimática, permitindo maiores taxas de conversão e elevada seletividade para monoésteres de xilose. Paralelamente, foi avaliada a influência de diferentes protocolos de imobilização e da metalização da lipase Eversa® Transform 2.0, evidenciando-se variações na atividade catalítica, na estabilidade térmica e na especificidade, com incrementos de até 3 vezes na atividade específica em comparação com os biocatalisadores não modificados. Técnicas espectroscópicas confirmaram alterações conformacionais nas enzimas imobilizadas, possibilitando correlacionar o pH de imobilização com a atividade hidrolítica e a especificidade catalítica observadas. Por fim, demonstrou-se a viabilidade da produção de ésteres de xilose a partir do bagaço de cana-de-açúcar, integrando etapas de pré-tratamento da biomassa. O pré-tratamento com ácido acético e peróxido de hidrogênio promoveu a liberação de quantidade de açúcares quatro vezes maior durante a hidrólise enzimática com xilanases, em comparação com o bagaço não tratado. Biocatalisadores obtidos pela imobilização da lipase Eversa® Transform 2.0 em pH 5, na presença de NaCl 100 mM, e posteriormente metalizados com MgCl₂ foram avaliados, sendo que o biocatalisador não metalizado apresentou os melhores resultados, alcançando 15% de conversão de ácido oleico e 63% de conversão de xilose, valores aproximadamente 55% superiores obtidos com o biocatalisador preparado na ausência de NaCl. De modo geral, os resultados obtidos quanto à modulação das características dos biocatalisadores por métodos de imobilização e pós-tratamento, ao uso de solvente eutético profundo na esterificação enzimática da xilose e ao aproveitamento de xilose proveniente do bagaço de cana contribuem significativamente para o avanço do conhecimento em biocatálise aplicada à síntese de ésteres de açúcares. Os resultados evidenciam o papel dos solventes eutéticos e das estratégias de engenharia de biocatalisadores na intensificação de processos, além de oferecerem perspectivas concretas para o desenvolvimento futuro de rotas industriais sustentáveis para a produção de biossurfactantes. | por |
| dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo nº 88887.669374/2022-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo nº 88887.936648/2024-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo nº 316480/2023-1, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo nº 160760/2022-4, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.identifier.citation | SOUZA, Leonardo de. Biocatalyst engineering applied to the synthesis of fatty xylose esters derived from the C-5 fraction of lignocellulosic residues. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23938. | por |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.14289/23938 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | |
| dc.publisher.address | Campus São Carlos | |
| dc.publisher.initials | UFSCar | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | |
| dc.relation.uri | https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2025.108523 | |
| dc.relation.uri | https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.148803 | |
| dc.relation.uri | https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.139667 | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | |
| dc.subject | Ésteres de xilose | por |
| dc.subject | Solventes eutéticos profundos | por |
| dc.subject | Síntese enzimática | por |
| dc.subject | Imobilização de lipases | por |
| dc.subject | Biocatálise | por |
| dc.subject | Biomassa lignocelulósica | por |
| dc.subject | Biossurfactantes | por |
| dc.subject | Xylose esters | eng |
| dc.subject | Deep eutectic solvents | eng |
| dc.subject | Enzymatic synthesis | eng |
| dc.subject | Lipase immobilization | eng |
| dc.subject | Biosurfactants | eng |
| dc.subject | Lignocellulosic biomass | eng |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | |
| dc.subject.ods | 3. Saúde e Bem-Estar | |
| dc.subject.ods | 6. Água Potável e Saneamento | |
| dc.subject.ods | 9. Indústria, Inovação e Infraestrutura | |
| dc.title | Biocatalyst engineering applied to the synthesis of fatty xylose esters derived from the C-5 fraction of lignocellulosic residues | eng |
| dc.title.alternative | Engenharia de biocatalisadores aplicada à síntese de ésteres graxos de xilose obtida da fração C-5 de resíduos lignocelulósicos | por |
| dc.type | Tese |
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- TESE_ENGENHARIA DE BIOCATALISADORES APLICADA À SÍNTESE DE ÉSTERES GRAXOS DE XILOSE OBTIDA DA FRAÇÃO C-5 DE RESÍDUOS LIGNOCELULÓSICOS_VERSAO DEFINITIVA.pdf
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