Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Salgado, Francisco Maria Rodrigues
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/54606
Resumo: Tese de Mestrado, Microbiologia Aplicada, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
id RCAP_d8645f1063edcbd6c1558ff4149cc7ac
oai_identifier_str oai:repositorio.ul.pt:10451/54606
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts productionBiodessulfurizaçãoGordonia alkanivorans estirpe 1BFonte de carbono alternativaCulturas em quimiostatoBioprodutosTeses de mestrado - 2022Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências BiológicasTese de Mestrado, Microbiologia Aplicada, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasOs combustíveis fósseis abriram novas portas para a humanidade ao permitir o uso de mais energia, primeiro do carvão, seguido do petróleo e gás natural. A queima de combustíveis fósseis é o maior contribuinte para a poluição atmosférica e uma preocupação para a saúde pública (Candelone et al., 2021), devido à emissão de dióxido de enxofre, partículas finas de sulfatos metálicos, entre outros. De modo a controlar a emissão destas substâncias, diversos países têm imposto limites para a quantidade de enxofre presente nos combustíveis fosseis e combustíveis de nova geração. Várias técnicas têm sido então desenvolvidas para remover o enxofre destes combustíveis, sendo a hidrodessulfurização (HDS), a mais utilizada pela indústria petrolífera. Tendo esta vários problemas, são necessárias alternativas, sendo uma delas a biodessulfurização (BDS) (Mohebali & Ball, 2008a). A BDS pode ser uma opção ou uma tecnologia suplementar para dessulfurizar os combustíveis fósseis, através do uso de microrganismos com capacidade de desulfurização. No entanto, para aplicar a BDS à escala industrial ainda é necessário ultrapassar alguns obstáculos. Este trabalho centra-se então na bactéria Gordonia alkanivorans estirpe 1B que foi isolada de amostras de solo contaminadas com petróleo, nos terrenos atualmente pertencentes ao Parque das Nações (Lisboa, Portugal). Nos últimos anos, vários trabalhos demonstraram o potencial da bactéria G. alkanivorans estirpe 1B para a biodessulfurização de combustíveis (Alves et al., 2015; Alves & Paixão, 2011), através da via 4S (Alves et al., 2007). Para reduzir os custos de produção de biocatalizadores, um dos problemas da BDS, torna-se importante procurar fontes de carbono alternativas, baratas e sustentáveis como os resíduos agroindustriais (Alves & Paixão, 2014b; Paixão et al., 2020). Neste contexto, tendo em conta a natureza frutofílica desta bactéria, foram exploradas fontes de carbono agroindustriais ricas em frutose (ex: medronho, tupinambo) (Silva, 2012; Silva et al., 2013, 2015; Alves & Paixão, 2014a, 2014b; Pacheco et al., 2019). Um dos principais objetivos deste trabalho foi então a valorização de um resíduo (STFr), de fabricantes de compota de medronho, como fonte de carbono alternativa para o cultivo de G. alkanivorans estirpe 1B. O primeiro passo do trabalho foi produzir licores ricos em açúcares (fru/glu) a partir de resíduos de medronho (STFr liquor). O primeiro lote de medronho (lote #1) resultou num licor rico em açúcares, contendo 110 g/L de açúcares totais e 3,72 g/L de compostos fenólicos. Mais dois lotes de licor foram também produzidos (lote #2: 107 g/L de açúcares totais e 3,15 g/L de fenólicos; lote #3: 66 g/L de açúcares totais e 4,12 g/L de fenólicos). Com o primeiro licor (STFr liquor - lote #1), foi realizado um ensaio preliminar para avaliar o potencial para crescimento e a atividade de dessulfurização da G. alkanivorans estirpe 1B, em frasco agitado, com 14 g/L açúcares totais (fru/glu). Utilizando este licor como fonte de carbono e sulfatos, houve um pequeno crescimento, indicativo de uma concentração inicial de enxofre. No geral, esses resultados indicam que alguns nutrientes, como o enxofre, foram limitantes, permitindo apenas alguma formação de biomassa no início. Portanto, às 125 h de crescimento, 300 µM de DBT foram adicionados ao meio de cultura. Nestas condições, por volta das 149 h, a estirpe 1B foi capaz de crescer, consumir os açúcares e produzir biomassa, atingindo uma taxa máxima de crescimento (µmax) de 0.091 h-1 . Uma vez que mesmo após a adição de DBT existiu uma fase latência de perto de 24 h, foi realizado um ensaio de destoxificação do licor para mitigar o efeito inibitório deste licor no crescimento da estirpe 1B. Diferentes concentrações de carvão ativado foram testadas (1 a 4% CA), de modo a selecionar a quantidade mínima necessária à destoxificação. Estes 4 licores foram então testados como fonte de carbono, para cultivar a estirpe 1B em frasco agitado. Nestas condições, a estirpe 1B, foi capaz de crescer, consumir todos os açúcares e DBT. Diminuindo a fase de latência para 15 h para 1% CA e 10 h para ≥2% CA. A fase exponencial foi mantida até às 69 h para todas as condições, atingindo uma DO máxima de 13,5 para o licor tratado com 4% CA. Da mesma forma, as taxas máximas de crescimento (µmax) também aumentaram com o aumento da % CA, atingindo um µmax de 0,119 h-1 ; bem como as taxas de consumo de açúcares totais, com 0,175 g/L/h para 4% de CA. Referente à biodessulfurização, o 2-HBP foi detetado primeiro nos licores resultantes dos tratamentos com mais CA (3 e 4%), obtendo também os valores mais elevados de máximo 2-HBP produzido (8.83 - 8.88 µM/h, 4 e 3% CA respetivamente). Comparando os diferentes parâmetros metabólicos para os 4 licores destoxificados, o melhor tratamento parece ser a destoxificação com 4% de CA. O próximo passo foi realizar ensaios de biodessulfurização, de modo a comparar a utilização do licor não tratado (STFr liquor) e do licor tratado com 4% CA (Detox STFr liquor) com a utilização de açúcares comerciais (glu+fru) para crescimento da estirpe 1B em frasco agitado, partindo de uma concentração de açúcares de 9 g/L e 300 µM de DBT como fonte de enxofre. Relativamente aos resultados de biodessulfurização, o 2-HBP foi detetado primeiro tanto na cultura com o licor destoxificado como na cultura com açúcares comerciais. Ao utilizar açúcares comerciais foi possível obter o máximo de concentração de 2-HBP, assim como a taxa de produção mais alta (305 µM e 11.611 µM/h, respetivamente). No entanto, a taxa específica máxima de dessulfurização, q2-HBP, foi obtida com o licor tratado (5.72 µmol/g(peso seco)/h). A informação obtida nos diferentes ensaios em frasco agitado permitiu otimizar as condições de cultura para usar o licor do resíduo de medronho (STFr liquor/ Detox STFr liquor) como fonte de carbono numa cultura contínua, realizando vários ensaios em quimiostato. Num primeiro ensaio em quimiostato, utilizando um licor de resíduo de medronho (STFr liquor – lote #3) como fonte carbono, contendo 5,4 g/L de açúcares redutores, realizado a uma taxa de diluição de 0,04 h-1 (cultura STFr L1), obteve-se um consumo completo de açúcar, produzindo células com capacidade de dessulfurização (4,32 µmol(2-HBP)/g(peso seco)/h). Aumentando a taxa de diluição para 0,05 h -1 (cultura STFr L2), com o mesmo licor (5,4 g/L de açúcares redutores), deu-se uma redução na atividade de biodessulfurização para 1,843 µmol(2-HBP)/g(peso seco)/h. Por esta razão, a cultura com o licor após tratamento com 4% CA (4,72 g/L açúcares redutores) foi realizada com uma taxa de diluição de 0,04 h-1 (cultura DTX STFr L). Nos ensaios de BDS com resting cells a maior produção de 2-HBP foi alcançada com células do estado estacionário STFr L1, atingindo 212,68 µM, com uma taxa específica (q2-HBP) de 6.499 µmol/g(peso seco)/h. Estes ensaios mostram que é possível usar um resíduo agroindustrial para produzir células saudáveis que podem dessulfurizar. De modo a viabilizar economicamente todo este processo é necessário aproveitar produtos secundários que a célula possa produzir. Neste caso são produzidos pigmentos e surfactantes que podem ser aproveitados após a dessulfurização e beneficiar o processo tornando-o mais economicamente viável. Relativamente à quantificação dos carotenoides produzidos pela estirpe 1B, primeiro foram realizados testes combinando os solventes tradicionalmente usados (ex: acetato de etilo) com líquidos iónicos (LIs) (Silva et al., 2016; Fernandes et al., 2018). Neste contexto, para avaliar o potencial dos LIs na eficiência da extração de carotenoides da estirpe 1B, foi realizado um grupo de ensaios para testar 19 LIs combinados com acetato de etilo (AcE, solvente conhecido pela sua elevada capacidade de extração). Dos 19 LIs testados, apenas 10 foram capazes de formar um sistema bifásico e extrair os carotenoides. Com base no valor de carotenoides totais obtidos, selecionaram-se os dois LIs que originaram as maiores extrações. Testes posteriores confirmaram a maior eficiência do LI #18 como co-solvente para extrair carotenoides e, procedeu-se à otimização do método de extração usando LI #18/ AcE com recurso a dois desenhos experimentais sequencias (#ED1 e #ED2), baseados na distribuição de Doehlert (Doehlert, 1970) para dois factores (X1 = volume IL#18 volume; X2 = volume Ac. etilo). Utilizando este novo método de extração otimizado (50 µL de IL#18 + 1125 µL de AcE), avaliou-se a produção de carotenoides totais na biomassa produzida nas culturas em quimiostato (EEs: STFr L1, DTX STFr L e mistura fru/glu), acima referidas. Na cultura com o STFr liquor (EE STFr L1), como fonte carbono alternativa, a estipe 1B produziu 338 μgCarotenoides/g(peso seco); na cultura com o detox STFr liquor (EE DTX STFr L) produziu 106 μgCarotenoides/g(peso seco) e na cultura com os açúcares comerciais (fru/glu) produziu 125 μgCarotenoides/g(peso seco). Estes são resultados promissores para a obtenção de pigmentos microbianos para aplicação na indústria agro-alimentar. Para além da produção de carotenoides, também foi avaliada a produção de BS/BE nas diferentes culturas em quimiostato. As atividades de emulsificação mais elevadas foram conseguidas nos EEs: STFr L1 (EA = 8 U/mL) e DTX STFr L (EA = 7,69 U/mL), partindo de 5 g/L de fonte de carbono inicial. Em geral, os resultados obtidos neste trabalho demonstraram o potencial da utilização de licor de resíduo de medronho (STFr liquor) como fonte de carbono alternativa para o processo de dessulfurização do DBT pela estirpe 1B. No entanto, mais estudos de otimização/aumento de escala são necessários para avaliar a sua aplicabilidade técnico-económica para a dessulfurização de combustíveis fósseis/óleos de pirólise.In biodesulfurization (BDS) microorganisms are used to remove sulfur from fuels. Compared to conventional thermochemical treatments, it is cleaner and more efficient. However, since microorganisms have lower reaction rates, greater amounts of biocatalyst are needed, increasing overall costs. To overcome this, several approaches have been pursued, such as experimenting with alternative carbon sources from sustainable streams or exploring the valorization of high added value products produced by the microorganisms. This work aims to access the potential of the strawberry tree fruit residue (STFr) as an alternative carbon source for a BDS biorefinery. In this context, a series of assays, first in shake-flask and then in chemostat, were carried out to develop and optimize the STFr liquor as a viable carbon source. Hence, a sugar rich liquor (60% fructose/ 40% glucose) was produced from the STFr, resulting in an inhibitory lag phase in the skake-flask. A detoxification process was performed with 1, 2, 3 and 4% (w/v) of activated charcoal (AC) to eliminate this problem. With all percentages of AC, the lag phase was successfully eliminated, and the best result were achieved when using 4% AC, with the highest growth (OD600nm = 13.5); the highest growth rate (µmax = 0.119 h-1 ); highest sugars consumption rate (0.175 g/L/h); and highest 2-HPB production (347 µM). So, this treatment was chosen to a new set of assays to compare the kinetics of the cultures when using detoxified STFr liquor with commercial sugars, and non-detoxified STFr liquor. In overall, the best resuls of growth and BDS were obtained for the detoxified liquor (DTX STFr liquor). These carbon sources were further tested and optimized in chemostat assays (1L bioreactor) to obtain steady state (SS) cultures (STRr L1 - 0.04 h-1 of dilution rate, STRr L2 - 0.05 h-1 of dilution rate, DTX STFr L - 0.04 h-1 of dilution rate, Fru+Glu - 0.04 h -1 of dilution rate). The highest biomass was achieved in STFr L2 culture (2.79 g/L), using STFr liquor, and the lowest was achieved in Fru+Glu culture (1.89 g/L), using the mixture of commercial sugars. Using the STFr liquor as carbon source, even with sulfur free mineral minimized (SFMM) culture medium, there was enough nutrients to generate more biomass than when using commercial sugars with a non-minimized culture medium (SFM), possibly due to be a complex C-source with some additional nutrients. The cells produced in bioreactor resulted in biocatalysts with desulfurization ability, being obtained the higher values of specific rate of 2- hydroxibyphenil production (q2-HPB) for cells from the SS cultures STFr L1 (6.50 µmol/g(DCW)/h) and DTX STFR L (6.98 µmol/g(DCW)/h). However, in overall, the results from chemostat assays point out for the use of untreated STFr liquor as the best carbon source. This demonstrates that is possible to use an agroindustrial residue as a sustainable alternative C-source to produce cost-effective biocatalysts with high desulfurization ability. Moreover, strain 1B is able of produce carotenoids and biosurfactants/bioemulsifiers (BS/BE) and cells from the STFr L1 were those that presented the highest production of carotenoids (338±15 g/gDCW) and BS/BE (Emulsifying activity: 8 U/mL). Both carotenoids and BS/BE results open prospects for further bioproducts valorization contributing for the global economic viability of a BDS process considering G. alkanivorans strain 1B biorefinery as an integrative process aiming to get BDS scale-up.Alves, Susana PaixãoReis, Ana Maria GonçalvesRepositório da Universidade de LisboaSalgado, Francisco Maria Rodrigues202220222025-04-30T00:00:00Z2022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/54606enginfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T17:01:04Zoai:repositorio.ul.pt:10451/54606Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:05:24.282646Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
title Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
spellingShingle Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
Salgado, Francisco Maria Rodrigues
Biodessulfurização
Gordonia alkanivorans estirpe 1B
Fonte de carbono alternativa
Culturas em quimiostato
Bioprodutos
Teses de mestrado - 2022
Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Biológicas
title_short Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
title_full Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
title_fullStr Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
title_full_unstemmed Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
title_sort Gordonia alkanivorans strain 1B biorefinery towards green fuels and high added-value bioproducts production
author Salgado, Francisco Maria Rodrigues
author_facet Salgado, Francisco Maria Rodrigues
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Alves, Susana Paixão
Reis, Ana Maria Gonçalves
Repositório da Universidade de Lisboa
dc.contributor.author.fl_str_mv Salgado, Francisco Maria Rodrigues
dc.subject.por.fl_str_mv Biodessulfurização
Gordonia alkanivorans estirpe 1B
Fonte de carbono alternativa
Culturas em quimiostato
Bioprodutos
Teses de mestrado - 2022
Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Biológicas
topic Biodessulfurização
Gordonia alkanivorans estirpe 1B
Fonte de carbono alternativa
Culturas em quimiostato
Bioprodutos
Teses de mestrado - 2022
Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Biológicas
description Tese de Mestrado, Microbiologia Aplicada, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
publishDate 2022
dc.date.none.fl_str_mv 2022
2022
2022-01-01T00:00:00Z
2025-04-30T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10451/54606
url http://hdl.handle.net/10451/54606
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
eu_rights_str_mv embargoedAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799134605375176704

Registros relacionados