Desenvolvimento de bioprocessamento consolidado utilizando levedura com secreção de enzimas hidrolíticas

dc.contributor.advisor-co1Zangirolami, Teresa Cristina
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4546701843297248por
dc.contributor.advisor1Milessi Esteves, Thais Suzane
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7000002745065879por
dc.contributor.authorRamos, Márcio Daniel Nicodemos
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/1240875990317574por
dc.date.accessioned2023-03-28T13:48:52Z
dc.date.available2023-03-28T13:48:52Z
dc.date.issued2023-02-28
dc.description.abstractConsolidated Bioprocessing (BPC) for the production of second-generation (2G) ethanol is an emerging technology in which the production of hydrolytic enzymes, enzymatic hydrolysis and fermentation of pentoses and hexoses occur in the same reactor. The recombinant yeast Saccharomyces cerevisiae AC14 stands out for producing seven hydrolytic enzymes (β-glucosidase, β-xylosidase, xylanase, endoglucanase, cellobiohydrolase I and II, and acetyl xylan esterase), with great potential for application in CBP under industrial conditions. In this sense, the objective of this dissertation was to contribute to the development of CBP from sugarcane bagasse using this high performance recombinant yeast (strain AC14), aiming at application in biorefineries. The experiments were carried out in mini-reactors equipped with a CO2 outlet, at 35 ºC and with an initial optical density of 100. The supernatants generated were analyzed in relation to enzymatic activities (total cellulases, xylanase, β-glucosidase and β xylosidase) and to the composition of substrates and products. In a first step, CBP was evaluated in synthetic medium (influence of culture conditions: substrates, pH and oxygen supply) with free cells, in simple and repeated batches, and the conditions that favored the production of enzymes were identified: medium containing corn cob xylan, carboxymethylcellulose, cellobiose, glucose and xylose and pH 5.5, reaching 2.1 IU.g 1 cell of total cellulases, 102.0 IU.g-1 cell of xylanases, 7.4 IU.g-1 cell of β-glucosidase and 25.5 IU.g-1 cell of β-xylosidase. The aerobic condition favored growth to the detriment of ethanol production, but did not alter enzyme production in relation to fermentative conditions. Repeated batches were carried out in the selected medium, reaching total conversion in the ten cycles and productivity and average yield in ethanol of 0.86 g.L-1 .h 1 and 0.4 g.g-1 . In a second stage, BPC cultivations were carried out with real industrial medium containing sugarcane bagasse pre-treated by hydrothermal and acid, also evaluating the doping with soy protein and the freezing of the pre-treated fraction as auxiliary treatments to improve enzyme access and intensify CPB. The process with sugarcane bagasse pre-treated by hydrothermal route was superior to that obtained by the acid route due to the lower concentration of inhibitors. The freezing of cellulignin favored the CBP, while the addition of soy protein had no influence on the studied conditions, obtaining 14.1 g.L-1 and 1.3 g.L-1 .h-1 of ethanol using liquor and cellulignin (10 g.L-1 ) hydrothermal. Finally, in step 3 of this work, the applicability and immobilization conditions of the yeast AC14 in calcium alginate were evaluated, varying the diameter of the microspheres, cell load and agitation. Diffusional limitations were noted in the experiments with immobilized cells, but without compromising the total consumption of the substrate. It was found that the presence of agitation favored the diffusion of enzymes into the reaction medium. Smaller diameters and higher cell loads within the microspheres improved fermentation performance, probably by creating a favorable microenvironment and decreasing diffusional limitations, yielding 11.9 g.L-1 (1.1 g.L-1 .h-1 ) of ethanol. Thus, the present study generated a broad overview of CBP, which covered fermentation conditions, real raw material and cell immobilization, contributing to expand knowledge regarding this promising technology for application in the context of obtaining 2G ethanol.eng
dc.description.resumoO Bioprocessamento Consolidado (BPC) para a produção de etanol de segunda geração (2G) é uma tecnologia emergente na qual a produção de enzimas hidrolíticas, a hidrólise enzimática e a fermentação das pentoses e hexoses ocorrem em um mesmo reator. A levedura recombinante Saccharomyces cerevisiae AC14, se destaca por produzir sete enzimas hidrolíticas (β-glicosidase, β-xilosidase, xilanase, endoglucanase, celobiohidrolase I e II, e acetil xilana esterase), possuindo grande potencial de aplicação no BPC em condições industriais. Neste sentido, o objetivo desta dissertação foi contribuir para o desenvolvimento do BPC de bagaço de cana-de-açúcar utilizando esta levedura recombinante de alta performance (cepa AC14), visando a aplicação em biorrefinarias. Os experimentos foram realizados em mini-reatores dotados de saída de CO2, a 35 ºC e com densidade ótica inicial 100. Os sobrenadantes gerados foram analisados em relação às atividades enzimáticas (celulases totais, xilanase, β-glicosidase e β-xilosidase) e à composição de substratos e produtos. Em uma primeira etapa, avaliou-se o BPC em meio sintético (influência das condições de cultivo: substratos, pH e fornecimento de oxigênio) com células livres, em bateladas simples e repetidas e identificou-se as condições que favoreceram a produção de enzimas: meio contendo xilana de sabugo de milho, carboximetilcelulose, celobiose, glicose e xilose e pH 5,5, alcançando-se 2,1 UI.g-1 célula de celulases totais, 102,0 UI.g-1 célula de xilanases, 7,4 UI.g-1 célula de β-glicosidase e 25,5 UI.g-1 célula de β-xilosidase. A condição aeróbia favoreceu o crescimento em detrimento da produção de etanol, mas não alterou a produção de enzimas em relação às condições fermentativas. Bateladas repetidas foram realizadas no meio selecionado, alcançando-se conversão total nos dez ciclos e produtividade e rendimento médio em etanol de 0,86 g.L -1 .h -1 e 0,4 g.g-1 . Em uma segunda etapa, conduziu-se cultivos BPC com meio industrial real contendo bagaço de cana pré-tratado por via hidrotérmica e ácida, avaliando-se também a dopagem com proteína de soja e o congelamento da fração pré tratada como tratamentos auxiliares para melhorar o acesso das enzimas e intensificar o BPC. O processo com bagaço de cana pré-tratado por via hidrotérmica foi superior ao obtido pela via ácida devido à menor concentração de inibidores. O congelamento da celulignina favoreceu o BPC, enquanto a adição de proteína de soja não teve influência nas condições estudadas, obtendo-se 14,1 g.L-1 e 1,3 g.L-1 .h-1 de etanol utilizando-se licor e celulignina (10 g.L-1 ) hidrotérmicos. Por fim, na etapa 3 deste trabalho, avaliou-se a aplicabilidade e as condições de imobilização da levedura AC14 em alginato de cálcio, variando-se o diâmetro das microesferas, carga celular e agitação. Notou-se limitações difusionais nos experimentos com células imobilizadas, porém sem comprometer o consumo total do substrato. Constatou se que a presença de agitação favoreceu a difusão das enzimas para o meio reacional. Menores diâmetros e maiores cargas de células dentro das microesferas melhoraram o desempenho da fermentação, provavelmente pela formação de um microambiente favorável e diminuição das limitações difusionais, obtendo-se 11,9 g.L-1 (1,1 g.L-1 .h-1 ) de etanol. Deste modo, o presente estudo gerou um amplo panorama sobre o BPC, que abrangeu condições fermentativas, matéria-prima real e imobilização celular, contribuindo para expandir os conhecimentos referentes a essa tecnologia promissora para aplicação no contexto da obtenção do etanol 2G.por
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)por
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 130409/2021-9, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológicopor
dc.description.sponsorshipIdProcesso #407716/2021-1, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológicopor
dc.description.sponsorshipIdProcesso #2016/10636-8, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulopor
dc.identifier.citationRAMOS, Márcio Daniel Nicodemos. Desenvolvimento de bioprocessamento consolidado utilizando levedura com secreção de enzimas hidrolíticas. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17549.por
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/17549
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCampus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQpor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectProdução enzimáticapor
dc.subjectHidrólisepor
dc.subjectFermentaçãopor
dc.subjectBagaço de cana-de-açúcarpor
dc.subjectImobilização celularpor
dc.subjectEnzyme productioneng
dc.subjectHydrolysiseng
dc.subjectFermentationeng
dc.subjectSugar cane bagasseeng
dc.subjectCell immobilizationeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICApor
dc.titleDesenvolvimento de bioprocessamento consolidado utilizando levedura com secreção de enzimas hidrolíticaspor
dc.title.alternativeDevelopment of consolidated bioprocessing using yeast with secretion of hydrolytic enzymeseng
dc.typeDissertaçãopor

Arquivos

Pacote Original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
Dissertação - Márcio Daniel Nicodemos Ramos.pdf
Tamanho:
2.48 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descrição:
Dissertação - Márcio Daniel Nicodemos Ramos