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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Estudo e desenvolvimento de micro-organismos industriais a partir do uso de estratégias alternativas para a valorização da hemicelulose do bagaço de cana-de-açúcar : The study and development of industrial microorganisms from alternatives strategies for the appreciation of the hemicellulosic fraction of sugarcane bagasse
Title Alternative: The study and development of industrial microorganisms from alternatives strategies for the appreciation of the hemicellulosic fraction of sugarcane bagasse
Author: Sousa, Amanda Silva de, 1992-
Advisor: Ruller, Roberto
Abstract: Resumo: Os polímeros de celulose, hemicelulose e lignina, que compõem a estrutura da parede celular vegetal, possuem grande potencial energético para aumentar a produtividade de biocombustíveis. Assim, o uso dos açúcares que constituem os polímeros de celulose e hemicelulose, permite o aumento da produção de bioetanol, bem como a obtenção de bioprodutos de valor agregado. Entretanto, as etapas de pré-tratamento, sacarificação e fermentação de pentose, correspondem a um dos principais gargalos existentes para viabilizar economicamente a produção do etanol lignocelulósico. Por isso, esse trabalho teve como objetivo, o estudo de diferentes estratégias para o desenvolvimento de micro-organismos e processos que otimizassem a fermentação de xilose. O trabalho foi dividido em cinco capítulos, um contendo a Revisão bibliografia do tema, e outros 4 capítulos em formato de artigo, os quais descrevem as estratégias metodológicas e os resultados correlacionados. Nos capítulos experimentais, primeiramente, a partir da técnica de um consorcio enriquecido a levedura Candida guilliermondii foi isolada e testada em condições de propagação para obtenção alta densidade celular, utilizando um substrato agroindustrial, e submetida a fermentação de xilose em biorreator, sendo então observado um alto rendimento de produção de xilitol. Essa cepa de C. guilliermondii foi utilizada na biblioteca de leveduras parentais, nos experimentos de genome shuffling, que buscou a formação de híbridos de Saccharomyces cerevisiae com leveduras que naturalmente fermentam xilose. O híbrido obtido após a ultima rodada de genome shuffling, apresentou um melhor consumo de xilose e uma maior produtividade de etanol em relação a cepa nativa S. cerevisiae. Além disso, no híbrido também foi detectada uma enzima xilose redutase com maior atividade utilizando o cofator NADH, diferentemente da S. cerevisiae nativa que apresenta uma atividade inespecífica com o cofator NADPH. Outra mutante de S. cerevisiae, resultante de técnicas de mutações clássicas por UV, apresentou uma melhora no consumo dos açúcares presentes no hidrolisado do bagaço de cana-de-açúcar, e alta atividade de enzimas NADH dependentes. Outras duas estratégias visando o melhoramento de micro-organismos em relação ao consumo de xilose foram testadas. Em uma delas foi iniciado os estudos de desenvolvimento de um micro-organismos para aplicação em um bioprocesso consolidado (CBP), a partir da expressão heteróloga, de uma xilanase GH11 de B. subtilis, na bactéria etanologênica Escherichia coli KO11. Como resultado, ocorreu o aumento da liberação de xilose a partir da hidrólise de xilo-oligômeros do bagaço de cana-de-açúcar, e um consequente o aumento no consumo de açúcares totais, e na produtividade de etanol. Por fim, foi explorada a estratégia de isomerização e fermentação simultânea (SIF) utilizando a isomerização ex-situ da xilose até xilulose. Por isso, a xilose isomerase de Steptomyces sp. F1 foi avaliada durante o processo de SIF, utilizando híbrido de S. cerevisiae obtido após o genome shuffling, foi possível realizar três reciclos de SIF sem perda considerável da atividade da enzima e da produtividade de etanol. Portanto, o trabalho apresentou possíveis soluções para o reaproveitamento da xilose, açúcar de grande importância econômica para as biorrefinarias de segunda geração

Abstract: The use of agroindustry residues becomes an important alternative to increase the productivity of biofuels, since they are usually composed of a residual lignocellulosic biomass that has significant energy potential. The energy potential is due to the cellulose, hemicellulose and lignin polymers that make up the plant cell wall. Therefore, the use of the sugars that constitute the cellulose and hemicellulose polymers for the production of biofuels, such as second generation ethanol, allows the increase of bioethanol production, as well as the production of bio-products that add value to bio-refineries. However, the stages of pre-treatment, saccharification and fermentation of pentose are the main bottlenecks for economically making the production of second generation ethanol economical. Therefore, this study aiming different strategies for the development of microorganisms and processes that optimize the xylose consumption. Firstly, from the adaptive evolution technique the yeast Candida guilliermondii was isolated and tested for the first time in propagation conditions to obtain high cell density, using an agroindustry as substrate, and after it was submitted to xylose fermentation in bioreactor and observed a high yield of xylitol production. Therefore, this strain of C. guilliermondii was used from the parental yeast library in genome shuffling experiments, form S. cerevisiae hybrids between yeasts that naturally ferment xylose. The hybrid obtained after the last round of genome shuffling presented better xylose consumption and ethanol productivity in relation to the native S. cerevisiae strain. In addition, the hybrid also presented the enzyme xylose reductase with higher activity using the NADH cofactor, unlike native S. cerevisiae, which has nonspecific activity with the NADPH cofactor. Another mutant of S. cerevisiae, resulting from techniques of classical mutations by UV and sexual recombination, showed an improvement in the sugar intake present in the sugarcane bagasse hydrolysate, when compared to the native S. cerevisiae strain, probably it is believed that during the process of random mutations some genes related to detoxification of the inhibitory compounds present were optimized. Two other alternatives aimed at improving microorganisms in relation to xylose consumption were tested. In one, consolidated bioprocessing construction by E. coli K011 expressing heterologous xylanase was performed and resulted in the increased xylose release, as also the improve sugar consumption and ethanol productivity from sugarcane bagasse. Finally, the xylose isomerase from Streptomyces sp. F1 was evaluated during the isomerization and simultaneous fermentation using S. cerevisiae hybrid obtained after the genome shuffling, was preformed three cycles of fermentation batch, with the immobilized enzyme, allowing the improved ethanol yields during the recycles, moreover, XI presented a loss of expressive activity. Therefore, the work presented possible solutions for the reuse of xylose, a sugar of great economic importance for second generation biorefineries
Subject: Embaralhamento de DNA
Biotecnologia
Xilose isomerase
Xilitol
Escherichia coli
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: SOUSA, Amanda Silva de. Estudo e desenvolvimento de micro-organismos industriais a partir do uso de estratégias alternativas para a valorização da hemicelulose do bagaço de cana-de-açúcar: The study and development of industrial microorganisms from alternatives strategies for the appreciation of the hemicellulosic fraction of sugarcane bagasse. 2019. 1 recurso online (162 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:IB - Tese e Dissertação

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