Síntese de celulose bacteriana a partir de resíduos lignocelulósicos via evolução adaptativa

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Vasconcellos, Vanessa Molina de
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19090
Resumo: Bacterial cellulose (BC) is produced mainly by the Komagataeibacter genus. BC is a biopolymer free of impurities, built from the interlacing of cellulose nanofibers, which presents remarkable properties, such as: high mechanical strength, high water retention capacity, susceptibility to chemical modifications and biocompatibility. The BC is a product of great interest in several biotechnological applications, ranging from noble applications, e.g. medical and pharmaceutical fields, to less sophisticated ones, e.g. reinforcement material in polymers. For the BC synthesis is necessary that the culture medium be rich in glucose, one of the key points that increase the final product. In this context, the present thesis aims to contribute to the reduction of costs involved in the process of CB synthesis using as substrate an alternative source of C: the liquid hot water (LHW) pretreated liquid fraction of lignocellulosic wastes (corn stover and sugarcane bagasse) produced in biorefineries. A challenge to be overcome is related to the presence of inhibitors in the medium, and bypassing this barrier with the addition of a detoxification step with activated charcoal, for example, implies an increase in process cost. The alternative presented in this work was to obtain an inhibitor resistant cellulose producing strain through the adaptive laboratory evolution technique, using the HLW pretreated liquid fraction from corn stover as culture medium. The development of the adapted K. hansenii strain makes possible to directly convert, and thereby concentrate, a dilute form of glucose into an insoluble, readily recovered and value-added cellulose product. While genetic stability, its nature and mechanisms behind the synthesis still need to be revealed, the evolutionary adaptation of this nanocellulose-producing bacteria not only made the bacterium resistant to inhibitors but also capable of producing significantly more nanocellulose compared to the original strain. In addition, the nanocellulose of the adapted strain maintained the same properties as those produced in the standard culture medium.
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The BC is a product of great interest in several biotechnological applications, ranging from noble applications, e.g. medical and pharmaceutical fields, to less sophisticated ones, e.g. reinforcement material in polymers. For the BC synthesis is necessary that the culture medium be rich in glucose, one of the key points that increase the final product. In this context, the present thesis aims to contribute to the reduction of costs involved in the process of CB synthesis using as substrate an alternative source of C: the liquid hot water (LHW) pretreated liquid fraction of lignocellulosic wastes (corn stover and sugarcane bagasse) produced in biorefineries. A challenge to be overcome is related to the presence of inhibitors in the medium, and bypassing this barrier with the addition of a detoxification step with activated charcoal, for example, implies an increase in process cost. The alternative presented in this work was to obtain an inhibitor resistant cellulose producing strain through the adaptive laboratory evolution technique, using the HLW pretreated liquid fraction from corn stover as culture medium. The development of the adapted K. hansenii strain makes possible to directly convert, and thereby concentrate, a dilute form of glucose into an insoluble, readily recovered and value-added cellulose product. While genetic stability, its nature and mechanisms behind the synthesis still need to be revealed, the evolutionary adaptation of this nanocellulose-producing bacteria not only made the bacterium resistant to inhibitors but also capable of producing significantly more nanocellulose compared to the original strain. In addition, the nanocellulose of the adapted strain maintained the same properties as those produced in the standard culture medium.A celulose bacteriana (CB) é produzida, principalmente, pelo gênero de bactérias Komagataeibacter. Trata-se de um biopolímero livre de impurezas, construído a partir do entrelaçamento de nanofibras de celulose, que apresenta propriedades notáveis como: elevada resistência mecânica, alta capacidade de retenção de água, susceptibilidade a modificações químicas e biocompatibilidade. Tais singularidades tornam a CB um produto de grande interesse em diversas aplicações, que variam de aplicações nobres, como na área médica e farmacêutica, a menos sofisticadas, como material de reforço em polímeros. No entanto, para a síntese de CB é necessário que o meio de cultura seja rico em glicose, um dos pontos chave que encarecem o produto final. Neste contexto, a presente tese visa contribuir na redução dos custos envolvidos no processo de síntese de CB utilizando como substrato uma fonte de C alternativa: a fração líquida obtida a partir do pré-tratamento hidrotérmico de resíduos lignocelulósicos de palha de milho e bagaço de cana-de-açúcar gerado nas biorefinarias. Um desafio a ser superado para tal aplicação está relacionado à presença de inibidores no meio, e contornar esse entrave com a adição de uma etapa de detoxificação com carvão ativado, por exemplo, implica em um aumento no custo do processo. Assim, a alternativa proposta foi a obtenção de uma cepa produtora de celulose resistente aos inibidores, obtida através da técnica de evolução laboratorial adaptativa, utilizando a fração líquida de palha de milho como meio de cultura. O desenvolvimento da cepa de K. hansenii adaptada tornou possível converter diretamente uma forma diluída de glicose em CB, um nanomaterial de alto valor agregado. Enquanto a estabilidade genética, sua natureza e mecanismos por trás da síntese ainda precisam ser elucidados, a adaptação evolutiva desta bactéria produtora de nanocelulose não apenas tornou a cepa adaptada resistente aos inibidores, mas também capaz de produzir significativamente mais CB em comparação com a cepa original. Além disso, a CB da cepa adaptada manteve as mesmas propriedades das CB produzidas no meio de cultura padrão, indicando o potencial da estratégia proposta.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CAPES: Código de financiamento 001engUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCelulose bacterianaKomagataeibacter hanseniiResíduos lignocelulósicosEvolução laboratorial adaptativaBacterial celluloseLignocellulosic wasteAdaptive laboratory evolutionENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS BIOQUIMICOSSíntese de celulose bacteriana a partir de resíduos lignocelulósicos via evolução adaptativaSynthesis of bacterial cellulose from lignocellulosic residues via adaptive laboratory evolutioninfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALThesis _ Vanessa _ Vasconcellos _ versão final.pdfThesis _ Vanessa _ Vasconcellos _ versão final.pdfTese - Vanessa Molina de Vasconcellosapplication/pdf3284727https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19090/1/Thesis%20_%20Vanessa%20_%20Vasconcellos%20_%20vers%c3%a3o%20final.pdf6f36364b8b7ab455a5a0f29edefa4a94MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19090/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTThesis _ Vanessa _ Vasconcellos _ versão final.pdf.txtThesis _ Vanessa _ Vasconcellos _ versão final.pdf.txtExtracted texttext/plain189593https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19090/3/Thesis%20_%20Vanessa%20_%20Vasconcellos%20_%20vers%c3%a3o%20final.pdf.txtf4aa31321e8bdc5a866885133d2caebbMD53ufscar/190902024-05-14 17:27:57.011oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/19090Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:27:57Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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description Bacterial cellulose (BC) is produced mainly by the Komagataeibacter genus. BC is a biopolymer free of impurities, built from the interlacing of cellulose nanofibers, which presents remarkable properties, such as: high mechanical strength, high water retention capacity, susceptibility to chemical modifications and biocompatibility. The BC is a product of great interest in several biotechnological applications, ranging from noble applications, e.g. medical and pharmaceutical fields, to less sophisticated ones, e.g. reinforcement material in polymers. For the BC synthesis is necessary that the culture medium be rich in glucose, one of the key points that increase the final product. In this context, the present thesis aims to contribute to the reduction of costs involved in the process of CB synthesis using as substrate an alternative source of C: the liquid hot water (LHW) pretreated liquid fraction of lignocellulosic wastes (corn stover and sugarcane bagasse) produced in biorefineries. A challenge to be overcome is related to the presence of inhibitors in the medium, and bypassing this barrier with the addition of a detoxification step with activated charcoal, for example, implies an increase in process cost. The alternative presented in this work was to obtain an inhibitor resistant cellulose producing strain through the adaptive laboratory evolution technique, using the HLW pretreated liquid fraction from corn stover as culture medium. The development of the adapted K. hansenii strain makes possible to directly convert, and thereby concentrate, a dilute form of glucose into an insoluble, readily recovered and value-added cellulose product. While genetic stability, its nature and mechanisms behind the synthesis still need to be revealed, the evolutionary adaptation of this nanocellulose-producing bacteria not only made the bacterium resistant to inhibitors but also capable of producing significantly more nanocellulose compared to the original strain. In addition, the nanocellulose of the adapted strain maintained the same properties as those produced in the standard culture medium.
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