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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.11.2021.tde-07012022-155213
Document
Author
Full name
Manuella Souza Silverio
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2021
Supervisor
Title in Portuguese
Processos biotecnológicos para aplicação de vinhaça no conceito de biorrefinaria para o setor sucroenergético
Abstract in Portuguese
Economicamente, os elevados volumes de vinhaça tem se tornado onerosos para algumas usinas e, em certo nível, expandir a produção de etanol implica em encontrar soluções para a vinhaça. Neste estudo, o objetivo foi avaliar a aplicação da vinhaça como componente dos meios de cultivo para processos biotecnológicos de produção de L-treonina por E. coli THR14 utilizando glicose como fonte de carbono; e produção de PHB pelas linhagens: a halofílica Halomonas sp. HG03, com sacarose como fonte de carbono; e R. eutropha L359PCJ, que utilizou o glicerol da vinhaça como fonte de carbono. As linhagens foram avaliadas em cultivos em frascos agitados com diluições volumétricas de meio mineral em vinhaça. E. coli THR14 foi cultivada em 25% a 75% (v v-1) de vinhaça in natura. Tratamentos controle e à base de vinhaça tiveram fator de conversão de substrato em biomassa (YX/S) de 0,44 a 0,53 g gGLICOSE-1. As concentrações de biomassa e L-treonina não apresentaram diferença estatística entre o tratamento controle e meios com até 50% (v v-1) de vinhaça. No cultivo de Halomonas sp. HG03 e R. eutropha L359PCJ, meios de cultivo à base de vinhaça in natura e concentrada (ambas a 50% e 75% v v-1) tiveram efeito positivo sobre o crescimento celular e maiores concentrações de vinhaça no meio de cultivo favoreceram o crescimento celular em detrimento do acúmulo de PHB. Nos meios à base de vinhaça, Halomonas sp. HG03 atingiu teores de PHB de 19,6 75,2% e R. eutropha L359PCJ, de 48,4 68,5% e, com 50% (v v-1) de vinhaça concentrada, estas linhagens tiveram síntese de PHB com fatores de conversão de substrato em produto (YP/S), respectivamente, de 0,23 ± 0,02 g gSACAROSE-1 e 0,34 ± 0,03 g gGLICEROL-1. As linhagens produtoras de PHB foram em seguida cultivadas em biorreator em bateladas sucessivas com meios de cultivo à base de vinhaça concentrada (50% v v-1). R. eutropha L359PCJ atingiu teor de PHB de 66,3%, concentrações de biomassa residual (MSCr) = 9,4 g L-1 e PHB = 18,6 g L-1, com YX/S = 0,16 g gGLICEROL-1, YP/S = 0,32 g gGLICEROL-1 e produtividade de PHB de 0,25 g Lh-1. Halomonas sp. HG03 obteve resultados de teor de PHB de 45,7%, MSCr = 9,8 g L-1, PHB = 8,3 g L-1, YX/S = 0,18 g gSACAROSE-1, YP/S = 0,16 g gSACAROSE-1 e produtividade de PHB de 0,12 g Lh-1. Finalmente, o bioprocesso empregando a vinhaça para produção de PHB por R. eutropha L359PCJ foi analisado no "software" SuperPro Designer quanto à redução de custos. Obteve-se que 40,8% dos custos totais de produção foram associados a matérias-primas. O uso da vinhaça como fonte parcial da fonte de carbono e demais nutrientes de meio de cultivo significou uma redução de 13,1% destes custos de produção. O uso de meios de cultivo à base de vinhaça concentrada associado a melhorias de processo para produtividade de produto e maiores densidades celulares simulou processos com custos de produção unitária de US$ 3,57 5,37/kgPHB e tempos de "payback" de 2,5 4,4 anos.
Title in English
Biotechnological processes for vinasse application into the biorefinery concept for the sucroenergetic sector
Abstract in English
Vinasse has become an economical burden for many mills, and at some level expanding ethanol production has become linked to finding solutions for vinasse destination. In this study, the aim was to evaluate concentrated and in natura vinasse as components of culture media for biotechnological processes. Different bacteria and processes were assessed: L-threonine production by E. coli THR14, with glucose as carbon source; PHB production by halophilic strain Halomonas sp. HG03, with sucrose as carbon source; and PHB biosynthesis by R. eutropha L359PCJ by using glycerol from vinasse as carbon source. All strains were evaluated in shake flasks cultivations with vinasse-based culture media. E. coli THR14 was cultivated in mineral medium with volumetric dilutions of in natura vinasse (25% to 75%). Control and vinasse-based treatments had biomass yield from substrate (YX/S) between 0.44 and 0.53 g gGLUCOSE-1. Biomass and L-threonine concentrations had no statistical difference between control treatment and vinasse-based treatments with up to 50% (v v-1) vinasse. In Halomonas sp. HG03 and R. eutropha L359PCJ cultivations, vinasse-based culture media with both in natura (50% and 75% v v-1) and concentrated (50% and 75% v v-1) vinasses had positive effect on cellular growth and higher vinasse concentrations resulted in higher cellular growth rather than PHB accumulation. In vinasse-based culture media, Halomonas sp. HG03 had PHB content between 19.6 75.2% and R. eutropha L359PCJ, between 48.4 68.5%, and in culture media with 50% (v v-1) of concentrated vinasse these strains had, respectively, PHB biosynthesis with product yield from substrate (YP/S) of 0.23 ± 0.02 g gSUCROSE-1 and 0.34 ± 0.03 g gGLYCEROL-1. The PHB-producing strains were further cultivated in bioreactors in consecutive batches mode with concentrated vinasse-based culture media (50% v v-1). R. eutropha L359PCJ had PHB content of 66.3% and concentrations of residual cell dry weight (rCDW) of 9.4 g L-1 and PHB = 18.6 g L-1, with YX/S = 0.16 g gGLYCEROL-1, YP/S = 0.32 g gGLYCEROL-1 and PHB productivity of 0.25 g Lh-1. Halomonas sp. HG03 had PHB content of 45.7%, rCDW = 9.8 g L-1, PHB = 8.3 g L-1 and YX/S = 0.18 g gSUCROSE-1, YP/S = 0.16 g gSUCROSE-1 and PHB productivity of 0.12 g Lh-1. Finally, cost reductions in the bioprocess of PHB production by R. eutropha L359PCJ with concentrated-vinasse as a component of culture medium were evaluated by using SuperPro Designer software. Results showed that 40.8% of total production costs were related to raw materials. By using vinasse as a partial source of glycerol and other nutrients for PHB production by R. eutropha L359PCJ the total production costs became 13.1% lower. Simulated processes that used concentrated vinasse-based media combined with improvements of PHB productivity and higher cellular densities had unit production costs that ranged from US$ 3.57 5.37/kgPHB and 2.5 4.4 years of payback time.
 
Publishing Date
2022-01-10
 
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