Produção de etanol 2g em reator de leito fixo e por bioprocessamento consolidado utilizando leveduras de alta performance
| dc.contributor.advisor-co1 | Esteves, Thais Suzane Milessi | |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/7000002745065879 | por |
| dc.contributor.advisor1 | Zangirolami, Teresa Cristina | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4546701843297248 | por |
| dc.contributor.author | Perez, Caroline Lopes | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/4188788274676361 | por |
| dc.date.accessioned | 2021-06-14T16:38:31Z | |
| dc.date.available | 2021-06-14T16:38:31Z | |
| dc.date.issued | 2021-05-06 | |
| dc.description.abstract | In order to enable the industrial production of second generation (2G) ethanol, the development of processes with high productivity using hydrolysates of lignocellulosic material containing high concentration of inhibitors, with minimum enzymes concentration due to its impact on the total cost of the process, are some of the main challenges to be overcome. In this sense, researches in genetic engineering have been working towards obtaining yeast strains that are more tolerant to inhibitors present in hydrolysates and to the ethanol produced, as well as strains presenting capacity to produce and secrete enzymes, in addition to ferment pentoses and hexoses. The immobilization of cells in calcium alginate contributes to protect cells from the harmful effects of inhibitors, besides allowing the use of high cell densities, facilitating the recovery of products and the reuse of iocatalysts. Thus, the present work aimed to contribute to the development of a high productivity 2G ethanol production process using hemicellulose hydrolysates and superior recombinant yeast cells. At the first step of the research, after toxic and irreversible effects to the immobilized cells caused by the use of fermentative medium composed by concentrated hemicellulose hydrolysate during continuous fermentation were evidenced, experiments in mini-reactors unveiled the strong and synergistic effects between the high inhibitors load in fermentative medium and ethanol produced during ermentation, associated to the exposure time and the yeast strain characteristics. The results led the study to searching more robust and promising yeast strains, along with fermentative media presenting reduced inhibitors’ load. Three superior recombinant yeasts (S. cerevisae T18, HAA1 and MDS130) modified for xylose consumption, kindly donated by Prof. Johan Thevelein (KU Leuven and NovelYeast®, Belgium), were evaluated in different fermentative media formulated with concentrated crude hydrolysate (HC), detoxified hydrolysate (HD) and crude hydrolysate supplemented with molasses (MHB). The most encouraging results were achieved by the use of MDS130 strain and MHB medium, being this combination selected for further scale up in fixed bed bioreactors (BLF). Promising data regarding ethanol productivity (up to 20 g/L/h) and yield (up to 100% of the theoretical), besides high sugar conversion during the 20 recycles performed were reached with BLF. These results confirm the feasibility of the industrial application of the 2G ethanol production process from hemicellulose hydrolysate and molasses using recombinant yeast. In the second step of the present study, the superior recombinant yeast strain S. cerevisiae AC14, with capacity to secrete 7 hydrolytic enzymes, was evaluated for 2G ethanol production in a Consolidated Bioprocessing (BPC) system. Preliminary studies showed that free cells in high load enabled the hydrolysis and sequential fermentation of substrates such as cellobiose, corncob xylan and hydrothermal liquor (LH). Complementary experiments revealed that hydrolysis and fermentation steps from synthetic medium and solid (BTH) and liquid (LH) fractions obtained after hydrothermal pretreatment of sugarcane bagasse occurred in less than 10 hours in the presence of high cell load (optical density of 100), surpassing productivities from industrial enzymatic cocktails. Although the hydrolysis of the oligomers present in LH was not complete, the results here obtained are promising, indicating that the AC14 strain has potential of being used in BPC, enabling the 2G ethanol production from pretreated biomass. | eng |
| dc.description.resumo | Para viabilizar a produção industrial de etanol de segunda geração (2G), o desenvolvimento de processos com alta produtividade utilizando hidrolisados de material lignocelulósico contendo elevada quantidade de inibidores, com redução na carga de enzima empregada devido ao seu impacto no custo total do processo, são alguns dos principais desafios a serem superados. Dessa forma, pesquisas em engenharia genética têm sido direcionadas para a obtenção de cepas de levedura mais resistentes aos inibidores presentes nos hidrolisados e ao etanol produzido, bem como de cepas com capacidade de produzir e secretar enzimas, além de fermentar pentoses e hexoses. A imobilização das células em alginato de cálcio contribui para protegê-las do efeito dos inibidores, além de permitir a utilização de elevadas densidades celulares, facilitar a recuperação dos produtos e a reutilização dos biocatalisadores. Nesse sentido, o presente trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de processo de produção de etanol 2G de alta produtividade a partir de hidrolisados de hemicelulose utilizando células de leveduras recombinantes de alta performance. Na primeira parte do trabalho, após a constatação de efeitos tóxicos e irreversíveis às células imobilizadas causadas pelo uso de meio fermentativo composto por hidrolisado de hemicelulose concentrado durante fermentação contínua, experimentos em mini-reatores revelaram o forte efeito sinérgico entre a alta carga de inibidores presentes no meio fermentativo e o etanol produzido durante a fermentação, associados ainda ao tempo de exposição e à linhagem da levedura utilizada. Os resultados direcionaram o trabalho para a busca de cepas mais robustas e promissoras, além de meios fermentativos com carga reduzida de inibidores. Três cepas de leveduras (S. cerevisiae T18, HAA1 e MDS130) geneticamente modificadas para assimilar xilose, gentilmente cedidas pelo Prof. Johan Thevelein (KU Leuven e NovelYeast®, Bélgica), foram avaliadas em distintos meios fermentativos industriais formulados com hidrolisado bruto concentrado (HC), hidrolisado destoxificado (HD) e hidrolisado bruto suplementado com melaço (MHB). Os melhores resultados foram obtidos utilizando a cepa MDS130 e meio MHB, combinação que foi selecionada para os ensaios em biorreator de leito fixo (BLF). Resultados promissores em produtividade (de até 20 g/L/h) e rendimento em etanol (de até 100 % do teórico), além de elevada conversão de açúcares ao longo dos 20 reciclos realizados foram alcançados com o BLF. Esses dados confirmam a viabilidade da aplicação industrial do processo de produção de etanol 2G a partir de meios formulados com hidrolisados hemicelulósicos e melaço utilizando leveduras recombinantes. Na segunda parte do trabalho, uma nova cepa de levedura S. cerevisiae AC14, com capacidade de secretar 7 enzimas hidrolíticas, foi avaliada para produção de etanol 2G em um sistema de bioprocessamento consolidado (BPC). Ensaios preliminares indicaram que células livres em alta carga favorecem a hidrólise e posterior fermentação de componentes presentes nos meios avaliados: celobiose, xilana de sabugo de milho e licor hidrotérmico (LH). Experimentos complementares revelaram que as etapas de hidrólise e fermentação tanto de meios sintéticos, como de meio preparado utilizando as frações sólida (BTH) e líquida (LH) obtidas após pré-tratamento hidrotérmico de bagaço de cana-de-açúcar ocorreu em menos de 10 horas na presença de elevada carga de células (densidade ótica de 100), ultrapassando as produtividades obtidas utilizando biocatalisadores formulados a partir de coquetéis enzimáticos industriais. Apesar da hidrólise dos oligômeros presentes no LH não ter sido completa, os resultados obtidos são promissores, de modo que a cepa AC14 tem grande potencial para emprego em BPC, viabilizando a produção de etanol 2G por hidrólise e fermentação simultâneas a partir da biomassa pré-tratada. | por |
| dc.description.sponsorship | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | por |
| dc.description.sponsorshipId | CAPES: 88882.332814/2019-01 | por |
| dc.identifier.citation | PEREZ, Caroline Lopes. Produção de etanol 2g em reator de leito fixo e por bioprocessamento consolidado utilizando leveduras de alta performance. 2021. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2021. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/14373. | por |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/14373 | |
| dc.language.iso | por | por |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
| dc.publisher.address | Campus São Carlos | por |
| dc.publisher.initials | UFSCar | por |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ | por |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
| dc.subject | Leveduras recombinantes | por |
| dc.subject | Etanol 2G | por |
| dc.subject | Biorreator de leito fixo | por |
| dc.subject | Hidrolisados hemicelulósicos | por |
| dc.subject | Enzimas hidrolíticas | por |
| dc.subject | Bioprocessamento consolidado | por |
| dc.subject | Recombinant strain | eng |
| dc.subject | 2G ethanol | eng |
| dc.subject | Fixed bed reactor | eng |
| dc.subject | Hemicellulos hydrolysates | eng |
| dc.subject | Enzyme | eng |
| dc.subject | Consolidated bioprocessing | eng |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA | por |
| dc.title | Produção de etanol 2g em reator de leito fixo e por bioprocessamento consolidado utilizando leveduras de alta performance | por |
| dc.title.alternative | 2G ethanol production in fixed bed reactor and by consolidated bioprocessing using high performance yeasts | eng |
| dc.type | Tese | por |
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