Syngas fermentation by Clostridium carboxidivorans

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Roque, Lúcia Manuela Antunes
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/71947
Resumo: Dissertação de mestrado em Biotecnologia
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spelling Syngas fermentation by Clostridium carboxidivoransFermentação de gás de síntese por Clostridium carboxidivoransClostridium carboxidivoransSyngasCO partial pressureTemperatureButanolPressão parcial de COTemperaturaEngenharia e Tecnologia::Biotecnologia AmbientalDissertação de mestrado em BiotecnologiaGlobal energy demands and environmental concerns are accelerating the development of renewable energy sources and promoting the replacement of conventional manufacturing processes. In this context, low-biodegradable materials assume a huge importance since it serves as the feedstock for these new bio-based processes. Gasification is an alternative technology for biomass and wastes treatment, and originates a carbon-rich gas (called syngas, mainly composed of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2)), which can be further converted into a large spectrum of chemicals and fuels. Syngas fermentation uses microorganisms as biocatalysts to assimilate 1-carbon molecules and produce value-added compounds, such as acetic and n-butyric acids, ethanol, butanol, among others. Butanol has emerged as a high valuable compound for the chemical and energy industries due to its characteristics (higher energy content, lower toxicity, among others). Although it is nowadays produced from petrochemical processes, some acetogens can produce it from syngas fermentation. From the previous, Clostridium carboxidivorans is considered a promising species for industrial application due to its unique capacity of producing higher alcohols (butanol and hexanol) from syngas at specific experimental conditions. The first part of this thesis focused on the physiological characterization of C. carboxidivorans when converting different substrates (glucose, syngas and CO) and the dependence of yeast extract as a co-factor during syngas fermentation. The second part aimed to evaluate different operational strategies to promote alcohol production (specially butanol): cultivation at sub-optimal temperature and testing different CO partial pressures within the syngas mixture. The main results and conclusions from this thesis are: 1) the versatility of C. carboxidivorans, as it grew well in all the conditions tested, showing no inhibition when cultivated at different temperatures (30 and 37 ºC), pressures (100, 170 and 200 kPa), different gaseous substrates and even in the absence of yeast extract; it was also shown that a higher CO concentration was crucial for n-butyric acid synthesis and that yeast extract is important to accelerate growth but do not influence acetic acid titers; 2) regarding the strategies to promote solventogenesis, the use of above-atmospheric pressures showed to be more promising than cultivation at 30 ºC, since higher pressures (170 and 200 kPa) lead to an increase in CO consumption rate and accelerated n-butyric acid synthesis, which suggests the microorganism was following the metabolic pathway that further leads to butanol production.O crescimento económico e as alterações climáticas têm promovido o desenvolvimento das energias renováveis e de novos processos biotecnológicos. Os resíduos (biomassa e resíduos urbanos) constituem a matéria–prima necessária para esta transição. A gaseificação é uma tecnologia utilizada no tratamento de resíduos, cujo produto final é um gás rico em carbono (monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2)) e hidrogénio (H2), denominado gás de síntese (ou syngas) que pode ser convertido em vários compostos de elevado interesse económico. A fermentação de syngas recorre à capacidade de certos microrganismos para utilizar estes gases e convertê-los em compostos de valor acrescentado, como os ácidos acético e n-butírico, etanol, butanol, entre outros. O butanol, por exemplo, tem elevado valor para a indústria química e para o sector da energia, devido às suas características (elevado conteúdo energético, baixa toxicidade, entre outros). Apesar de ser atualmente produzido por processos petroquímicos, alguns microrganismos têm a capacidade de o produzir a partir da fermentação de syngas. A espécie Clostridium carboxidivorans destaca-se devido à sua capacidade única de produzir álcoois de maior peso molecular (butanol e hexanol) a partir de syngas em condições operacionais específicas. A primeira parte desta tese focou-se na caracterização fisiológica de C. carboxidivorans na conversão de diferentes substratos (glucose, syngas e CO), bem como na dependência do extrato de levedura como co-factor de crescimento, durante a fermentação de syngas. A segunda parte teve como objetivo estudar estratégias operacionais para promover a produção de álcoois (ex. butanol): temperatura e pressão. Os principais resultados e conclusões são: 1) a versatilidade de C. carboxidivorans, dado ter crescido em todas as condições testadas, não mostrando inibição do crescimento quando cultivado a diferentes temperaturas (30 e 37 ºC), pressões (100, 170 e 200 kPa), misturas gasosas e mesmo na ausência de extrato de levedura no meio de cultura; verificou-se também que uma concentração de CO superior na mistura gasosa foi crucial para a síntese de ácido n-butírico e que o extrato de levedura é importante para acelerar o crescimento, mas não influencia a produção de ácido acético; 2) quanto às diferentes estratégias estudadas, a utilização de pressões superiores (> 100 kPa) mostrou ser mais promissora do que alterar a temperatura de fermentação, pois pressões mais elevadas (170 e 200 kPa) levaram a um aumento da taxa de consumo de CO e produção de ácido n-butírico, o que sugere que o microrganismo estaria a seguir a via metabólica que originará butanol.Alves, Joana I.Alves, M. M.Universidade do MinhoRoque, Lúcia Manuela Antunes20212021-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/71947eng202662578info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:18:42Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/71947Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:11:32.428990Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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