PPBIOTEC - Doutorado (Teses)

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Avaliação comparativa do processo auto-fermentativo e bioaumentado de diferentes amostras de bagaços de cana- de-açúcar : identificação da microbiota autóctone e produtos gerados.
(2023) Souza, Isabela Morato de; Silva, Silvana de Queiroz; Gurgel, Leandro Vinícius Alves; Silva, Silvana de Queiroz; Guimarães, Valéria Monteze; Zorel, José Augusto; Brandão, Rogélio Lopes; Barreto, Elisa da Silva
O bagaço de cana-de-açúcar (BCA) é um material remanescente da indústria sucroalcooleira considerado fonte renovável, de baixo custo e rico em açúcares. A conversão desta biomassa lignocelulósica em bioprodutos é uma alternativa favorável para amenizar problemas ambientais causados pelo uso excessivo de matéria-prima de origem fóssil, além de contribuir para o conceito de biorrefinaria. Entretanto, devido à sua estrutura recalcitrante, o acesso aos açúcares do biomaterial é um desafio para microrganismos fermentadores. Assim sendo, objetivando alcançar um bioprocesso consolidado, o presente estudo investigou o potencial hidrolítico e fermentativo da microbiota autóctone do BCA bruto durante sua fermentação, bem como a prospecção dos microrganismos presentes na biomassa. Nos ensaios de fermentação foram testadas amostras de BCA de seis usinas (A, B, C, D, E e F) na concentração de 10 g/L, monitoradas por 408 h a 37oC, sob agitação. As cepas cultiváveis foram coletadas no tempo 96 h e três delas (X, Y e Z) foram selecionadas para serem inoculadas individualmente em ensaios bioaumentados. A caracterização metagenômica do consórcio microbiano foi realizada e para quantificação dos metabólitos obtidos durante a fermentação foi feita a análise da fração líquida, enquanto a fração sólida foi caracterizada a fim de determinar os teores de celulose, hemiceluloses e lignina no início e ao final do ensaio. A microbiota presente nos bagaços no início da fermentação incluiu principalmente organismos do gênero Acetobacter, ao passo que, com 96 h de ensaio houve predominância de bactérias fermentadoras, como Clostridium, Enterobacter e Ruminiclostridium. Ao final do ensaio a abundância de Ruminiclostridium foi expressiva para as amostras analisadas neste momento. Dentre as condições testadas, alcançou-se a remoção de 37% da fração de lignina, 58% de celulose e 44% de hemiceluloses na fermentação do bagaço D por sua microbiota autóctone bioaumentada por Klebsiella pneumoniae (isolado X). Os principais produtos obtidos foram ácido caproico (2,81 g/L em Dy), etanol (2,68 g/L em A), ácido acético (1,15 g/L em D), ácido isobutírico (0,97 g/L em E), metanol (0,97 g/L em A) e ácido propiônico (0,34 g/L em C). Isto demonstra o elevado potencial lignocelulolítico da microbiota autóctone do BCA por acessar e fermentar o próprio substrato, demonstrando a possibilidade de obtenção de bioprodutos de valor agregado através do bioprocesso consolidado.
Detoxificação e aproveitamento da fração líquida proveniente do prétratamento do bagaço de cana-de-açúcar visando produção de xilitol.
(2018) Passarinho, Amanda Tafuri Paniago; Guimarães, Valéria Monteze; Guimarães, Valéria Monteze; Gonçalves, Daniel Bonoto; Porto, Lia de Mendonça; Viana, Pollyanna Amaral; Brandão, Rogélio Lopes
Uma biorrefinaria de cana-de-açúcar é definida como um processo industrial capaz de produzir diferentes produtos e subprodutos a partir da mesma matéria-prima. Este sistema geralmente trabalha com o processamento de uma biomassa para a produção de um combustível, um produto químico ou energia/calor. O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, que é a maior cultura cultivada globalmente, sendo que o resíduo gerado após a extração do suco é uma boa fonte de biomassa que pode ser usada em diversos processos dentro da indústria. A biomassa lignocelulósica apresenta um enorme potencial para produção de biocombustíveis devido à sua grande disponibilidade e baixo custo. Entretanto, para que o etanol lignocelulósico seja competitivo e economicamente viável é necessário integrá-lo à produção de outros compostos. Poliol com elevado poder edulcorante, semelhante à sacarose, o xilitol é tolerado por diabéticos e tem várias aplicações. Sua produção química pode ser substituída pela produção biotecnológica, a qual teve sua viabilidade demonstrada por diversos trabalhos, sendo bastante eficiente quando integrada a produção de etanol de segunda geração. A etapa inicial para obtenção destes produtos é o pré-tratamento, que altera a estrutura da biomassa e facilita o acesso das enzimas para liberar açúcares fermentescíveis. Quando se utiliza ácido diluído, este processo permite moderada liberação de glicose e xilose. Assim, trabalhando em um processo integrado, a glicose liberada pode ser fermentada a etanol, enquanto a xilose é direcionada para produção de xilitol. Uma outra alternativa seria a utilização de um micro-organismo que consiga fermentar pentose a etanol. Entretanto, como desvantagem, há a formação de inibidores da fermentação microbiana, o que demanda a necessidade de uma etapa adicional de detoxificação. O objetivo deste trabalho é propor uma estratégia de detoxificação que permita aumentar a produção de açúcares e produtos de valor agregado no processo de etanol 2G. Inicialmente, foram testadas diferentes concentrações de ácido sulfúrico (0,5, 2 e 4% v/v) para o pré-tratamento do bagaço de cana (10% p/v) a 120 °C por 1 hora e foram avaliados a eficiência da liberação de glicose e xilose e a formação de compostos tóxicos. Foi observada maior liberação de açúcares a partir do tratamento com 2% de ácido em relação àquele utilizando 0,5%, no entanto não foi observada diferença expressiva para o tratamento com 4% de ácido em relação a 2%. A formação de inibidores foi proporcional à concentração de ácido. Desta forma, foi selecionada a concentração de 2% de H2SO4 e foram testadas a concentração de biomassa (5, 10, 15 e 20%) e tempo de prétratamento (30 e 60 min). Maiores concentrações, tanto dos açúcares quanto dos inibidores, foram observadas no tratamento com 20% de biomassa e tempo de 60 min. Os ácidos alifáticos (acético e fórmico) e os furanos (furfural e hidroximetil-furfural) foram detectados em todos os tratamentos com 60 min e apenas no tratamento usando a maior concentração de biomassa (20%) durante 30 min. Os fenólicos foram também detectados em todos os tratamentos. Assim, a melhor condição para o pré-tratamento foi selecionada como sendo aquela que utilizou 15 % de bagaço, por 30 min, e que forneceu 5,32 g.L-1 de glicose, 27,7 g.L-1 de xilose e apenas compostos fenólicos (1,70 g.L-1) como inibidores. Na detoxificação, o tratamento com carvão ativado não removeu uma parcela significativa dos fenólicos, enquanto o tratamento com a lacase presente no extrato bruto de Chrysoporthe cubensis proporcionou a oxidação de 80% destes compostos, com aumento de 20% de glicose e xilose. A partir deste resultado, fez-se um delineamento composto central rotacional com os fatores concentração de fenólicos e carga de lacase presente no extrato bruto de Chrysoporthe cubensis para detoxificação. A validação exibiu valores satisfatórios para os parâmetros bias e acurácia, o que indica um bom ajuste das superfícies geradas e o escalonamento permitiu conhecer o comportamento da enzima para oxidação do seu substrato em volumes maiores. Para a sacarificação direta com Cellic CTec 2, a redução de 14% nos inibidores pela lacase permitiu um aumento de 30% na produção de xilose, visto que hemicelulases são mais susceptíveis a ação destes compostos. Esta etapa de detoxificação precedeu a fermentação da fração líquida por Debaryomyces hansenii UFV-1 em que a redução de 7% no conteúdo fenólico promoveu um aumento de 21 vezes na produção de xilitol.