Produção de 2,3-butanodiol utilizando levedura recombinante de alta performance a partir de subprodutos do processamento de cana-de-açúcar

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Dias, Renan Kiister
Orientador(a): Milessi, Thais Suzane Esteves lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/21939
Resumo: In light of the global need to transition the current energy matrix, the development of integrated biorefineries emerges as a promising alternative by enabling the conversion of by-products into value-added compounds through sustainable processes. Among the abundantly available by products in Brazil, those derived from sugarcane processing—such as molasses and bagasse— are particularly noteworthy. 2,3-Butanediol (BDO) is a highly relevant chemical compound with a wide range of industrial applications and is traditionally produced via non-renewable routes. Its production from renewable sources represents a significant advance in terms of sustainability. In this context, the present study aimed to contribute to the development of a BDO production process using by-products from sugarcane processing and the recombinant yeast Saccharomyces cerevisiae HGS37. Initially, the performance of the strain was evaluated using molasses as the substrate. Despite exhibiting a slower metabolism compared to glucose due to the need for sucrose hydrolysis, the strain was able to produce 56.1 g/L of BDO with a productivity of 0.6 g/L/h when cultivated in molasses. Additionally, the nutrient-rich composition of molasses enabled the elimination of medium supplementation. Subsequently, process conditions were assessed through a 2³ factorial experimental design, varying initial optical density (OD₀ 5–50), pH (4–6), and initial ethanol concentration (5–40 g/L). The results indicated that the initial cell density significantly influenced BDO production, with the highest sugar conversion (69.5%) and BDO titer (54.67 g/L) achieved under conditions of OD₀ 50, pH 6, and 5 g/L ethanol. To further enhance cell loading, cell immobilization significantly improved the strain's performance in molasses, leading to remarkable BDO production (122.99 g/L) and productivity (1.28 g/L/h). The yeast also performed well in non-detoxified sugarcane bagasse hydrolysate, reaching 92.15% of the theoretical BDO yield. Finally, BDO production in an integrated process using both hydrolysate and molasses proved to be an effective strategy to achieve high BDO concentrations (above 100 g/L) in a shorter process time (reduced from 96 to 72 hours). These findings highlight the potential of the HGS37 strain and the technical feasibility of BDO production via fermentation using molasses and lignocellulosic hydrolysate as substrates.
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Among the abundantly available by products in Brazil, those derived from sugarcane processing—such as molasses and bagasse— are particularly noteworthy. 2,3-Butanediol (BDO) is a highly relevant chemical compound with a wide range of industrial applications and is traditionally produced via non-renewable routes. Its production from renewable sources represents a significant advance in terms of sustainability. In this context, the present study aimed to contribute to the development of a BDO production process using by-products from sugarcane processing and the recombinant yeast Saccharomyces cerevisiae HGS37. Initially, the performance of the strain was evaluated using molasses as the substrate. Despite exhibiting a slower metabolism compared to glucose due to the need for sucrose hydrolysis, the strain was able to produce 56.1 g/L of BDO with a productivity of 0.6 g/L/h when cultivated in molasses. Additionally, the nutrient-rich composition of molasses enabled the elimination of medium supplementation. Subsequently, process conditions were assessed through a 2³ factorial experimental design, varying initial optical density (OD₀ 5–50), pH (4–6), and initial ethanol concentration (5–40 g/L). The results indicated that the initial cell density significantly influenced BDO production, with the highest sugar conversion (69.5%) and BDO titer (54.67 g/L) achieved under conditions of OD₀ 50, pH 6, and 5 g/L ethanol. To further enhance cell loading, cell immobilization significantly improved the strain's performance in molasses, leading to remarkable BDO production (122.99 g/L) and productivity (1.28 g/L/h). The yeast also performed well in non-detoxified sugarcane bagasse hydrolysate, reaching 92.15% of the theoretical BDO yield. Finally, BDO production in an integrated process using both hydrolysate and molasses proved to be an effective strategy to achieve high BDO concentrations (above 100 g/L) in a shorter process time (reduced from 96 to 72 hours). These findings highlight the potential of the HGS37 strain and the technical feasibility of BDO production via fermentation using molasses and lignocellulosic hydrolysate as substrates.Diante da necessidade da transição da matriz energética mundial, o desenvolvimento biorrefinarias integradas surge como uma alternativa, promovendo a conversão de subprodutos em produtos de interesse à sociedade por meio de processos sustentáveis. Dentre os subprodutos disponíveis em abundância no Brasil, aqueles provenientes do processamento da cana se destacam, como o melaço e o bagaço de cana. O 2,3-butanodiol (BDO), por sua vez, é um composto químico de grande relevância industrial que possui ampla gama de aplicações, o qual é tradicionalmente produzido por rota não-renovável. Sua produção a partir de fontes renováveis representa um avanço significativo do ponto de vista de sustentabilidade. Neste sentido, o presente trabalho teve por objetivo contribuir para o desenvolvimento de um processo de produção de BDO a partir de subprodutos do processamento da cana-de-açúcar utilizando a levedura recombinante Saccharomyces cerevisiae HGS37. Primeiramente, avaliou-se a performance da cepa utilizando melaço como substrato. Apesar de apresentar metabolismo mais lento do que em glicose por conta da etapa de hidrólise da sacarose, a cepa foi capaz de produzir 56,1 g/L de BDO com uma produtividade de 0,6 g/L/h ao utilizar melaço. Adicionalmente, o uso deste subproduto rico em nutrientes permitiu a remoção da suplementação do meio. Em seguida, as condições de processo foram avaliadas por meio de um planejamento experimental 2³ variando densidade ótica inicial (DO0 5-50), pH (4-6) e concentração inicial de etanol (5-40 g/L), onde observou-se que a concentração inicial de células impacta significativamente a produção de BDO, com a maior conversão de açúcares e produção de BDO (69,5% e 54,67 g/L) obtidas utilizando DO0 50, pH 6 e 5g/L de etanol. Neste sentido, visando aumentar a carga de células no processo, a imobilização celular aumentou significativamente a eficiência da cepa em melaço, alcançando resultados notáveis em produção de BDO (122,99 g/L) e produtividade (1,28 g/L/h). A levedura também apresentou bom desempenho em hidrolisado de bagaço de cana sem destoxificação, atingindo 92,15% do rendimento teórico de BDO. Por fim, a produção de BDO em um processo integrado utilizando hidrolisado e melaço mostrou-se uma estratégia interessante para alcançar concentrações elevadas de BDO, acima de 100 g/L, em menor tempo de processo (reduzindo de 96 para 72 horas). Esses resultados reforçam o potencial da cepa HGS37 e a viabilidade técnica da produção de BDO por fermentação utilizando melaço e hidrolisado lignocelulósico como substratos.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CAPES – Código de financiamento 001porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarhttps://cobbind.com.br/upload/trabalhos/t1arquivo/AxqTXxgWmDW5dataohAuDxTKrVZ6.pdfAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccess2,3-ButanediolBiorefineryRecombinant yeastMolassesLignocellulosic biomassSaccharomyces cerevisiaeENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA2,3-ButanodiolBiorrefinariaSaccharomyces cerevisiaeLevedura recombinanteMelaçoBiomassa lignocelulósicaProdução de 2,3-butanodiol utilizando levedura recombinante de alta performance a partir de subprodutos do processamento de cana-de-açúcarProduction of 2,3-butanediol using high-performance recombinant yeast from sugarcane processing by-productsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALRenan Kiister Dias_Dissertação de mestrado_PPGEQ.pdfRenan Kiister Dias_Dissertação de mestrado_PPGEQ.pdfapplication/pdf2259304https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c90335f9-fdcf-490e-a379-cc4709c451a4/download11782862e47cfa9bb3fa5681d2571f4aMD51trueAnonymousREADTEXTRenan Kiister Dias_Dissertação de mestrado_PPGEQ.pdf.txtRenan Kiister Dias_Dissertação de mestrado_PPGEQ.pdf.txtExtracted texttext/plain102842https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/9045631d-f5ca-4b27-a2a7-fe431faef1eb/download8c40ef03f1dec59130faa588c67f31a4MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILRenan Kiister Dias_Dissertação de mestrado_PPGEQ.pdf.jpgRenan Kiister Dias_Dissertação de mestrado_PPGEQ.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3650https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e10a8742-9cb4-4e4d-b359-da06f34ccd60/downloadcf39bbcc6211ac2f0dd6db1a30c1e7feMD54falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/44289b2c-b0dc-4518-a330-85c9a5a7bd59/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD52falseAnonymousREAD20.500.14289/219392025-04-24 00:02:21.744http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/21939https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-04-24T03:02:21Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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