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Consultar: Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica

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Ttulo [PT]: Biotransformao do glicerol - subproduto da produo de biodiesel
Ttulo [EN]: Biotransformation of glycerol - byproduct of biodiesel prodution.
Autor(es): Miguel Angel Aparicio Rodrguez
Palavras-chave [PT]:

Fermentao. Glicerol. Klebsiella oxytoca. 1,3-propanodiol. Biodiesel. Brasil.
Palavras-chave [EN]:
Fermentation. Glycerol. Klebsiella oxytoca. 1,3-propanediol. Biodiesel. Brazil.
rea de concentrao: Desenvolvimento de Processos
Titulao: Doutor em Engenharia Qumica
Banca:
Flvio Faria de Moraes [Orientador] - UEM
Gisella Maria Zanin - UEM
Jonas Contiero - ISRN Biotechnology
Jose Gregorio Cabrera Gomez - USP
Jos Eduardo Olivro - UEM
Bencio Alves de Abreu Filho - UEM
Resumo:
Resumo: A crescente meta de aumento da produo nacional do biodiesel acarretar a gerao de uma quantidade cada vez maior de glicerol, subproduto deste processo, com consequente desvalorizao do seu preo no mercado nacional e aumento da necessidade de novas rotas de aplicao deste material. Assim, se props nesta tese, o estudo do metabolismo microbiano do glicerol e das principais variveis que o afetam, e adicionalmente, o isolamento de uma bactria com potencial de transformao desta matria-prima, em produtos de maior valor comercial. Uma cepa foi isolada a partir de amostras de solo, inoculando-a em meios cuja fonte de carbono era o glicerol padro PA. A formulao dos meios de isolamento e das condies de fermentao foi bem fundamentada, a partir de uma anlise terica de diversos estudos disponveis na literatura, sobre a degradao fermentativa de glicerol. A bactria isolada foi identificada por meio de ensaios bioqumicos como Klebsiella oxytoca. Os dados indicaram que o crescimento bacteriano e o consumo de glicerol foram favorecidos em pH 7,4, com ureia como fonte de nitrognio e baixa concentrao inicial de substrato (12,6 g L-1). Nestas condies, para um tempo de reao de 48 h, o consumo de glicerol atingiu 99,77 %. Quando altas concentraes de substrato (75,6 g L-1) foram utilizadas, o melhor resultado em termos de consumo de glicerol (69,83%) foi obtido para os ensaios com ausncia de triptona, uso de tioglicolato como agente redutor de oxignio e elevada concentrao de ureia (4,9 g L-1). Os ensaios tambm mostraram que a adio de triptona (2,0 g L-1) somente teve efeito positivo quando a concentrao de ureia no meio foi baixa (1,5 g L-1). Os principais produtos formados foram 1,3-propanodiol, formato, 2,3-butanodiol, lactato e acetato, sendo produzidas quantidades muito pequenas de etanol. A maior velocidade de produo de 1,3-propanodiol ocorreu durante a fase logartmica de crescimento, tanto para glicerol PA (5,67 mmol L-1 h-1), quanto para glicerina bruta (5,28 mmol L-1 h-1). A anlise do perfil de produtos mostrou que ao se retirar os gases formados pela fermentao houve um aumento na produo de etanol. Entretanto, quando o CO2 e H2 no foram retirados do meio fermentativo, a produo de etanol foi baixa (0,15 g L-1). A degradao de formato est ligada ao processo de regenerao de NADH. Contudo, o mecanismo de consumo do hidrognio formado a partir do formato no foi completamente esclarecido. Este mecanismo funciona como uma alternativa de manuteno do equilbrio de redox do sistema e foi mais ativo na etapa final da fase logartmica de crescimento ou na fase estacionria. O rendimento de 1,3-propanodiol obtido a partir de 75,6 g L-1 de glicerol e da cepa isolada foi igual a 42,90 % e 39,60 %, para glicerol padro PA e glicerina bruta, respectivamente. Estes resultados so muito prximos daqueles determinados para outras cepas de K. oxytoca e K. pneumoniae encontradas na literatura, o que valoriza a cepa selecionada. Durante a fermentao do glicerol, o desequilbrio entre as reaes dos ramos oxidativo e redutivo do metabolismo, conduzem ao acmulo de 3-hidroxipropanaldedo e a interrupo do crescimento bacteriano. Este fenmeno se deve provavelmente a uma elevada atividade in vivo da enzima glicerol-desidratase, quando comparada s outras enzimas do metabolismo anaerbio do glicerol, sob as condies experimentais utilizadas. Os dados tambm indicaram que este desequilbrio pode ser diminudo pela manuteno de condies microaerbias no meio fermentativo. O mecanismo de regenerao de NADH presente na bactria Klebsiella oxytoca parece no estar restrito a uma nica direo de fluxo desta converso (formao das formas reduzida ou oxidada do NAD), porque nas reaes catalisadas pelas enzimas glicerol-desidrogenase (ramo oxidativo) e enzima 1,3 propanodiol-desidrogenase (ramo redutivo), o microrganismo consumiu H2 parcialmente para regenerar NADH. Esta parece ser uma alternativa metablica de compensao para estabilizar ou diminuir a concentrao de 3-hidroxipropanaldedo.

Abstract: The increasing goal for escalating the national production of biodiesel will result in the generation of an increasing amount of glycerol, a byproduct of this process, with the consequent devaluation of its price in the domestic market and increased need for new routes of application of this material. Thus, we proposed in this thesis, the study of the microbial metabolism of glycerol and the main variables affecting it, and additionally, the isolation of a bacterium which can potentially transform this raw material into products of higher commercial value. A strain was isolated from soil samples, inoculating it with media whose carbon source was glycerol standard PA. The formulation of the isolation media and fermentation conditions was well-founded on a theoretical analysis of several studies on the degradation of glycerol by fermentation, available in the literature. The isolated bacterium was identified by biochemical tests as Klebsiella oxytoca. The data indicated that bacterial growth and glycerol consumption were favored at pH 7.4, with urea as nitrogen source and low initial substrate concentration (12.6 g L-1). Under these conditions, for a reaction time of 48 h, the glycerol consumption reached 99.77%. When high concentrations of substrate (75.6 g L-1) were used, the best result in terms of consumption of glycerol (69.83%) was obtained for tests with the absence of tryptone, using thioglycollate as an oxygen reducing agent and high urea concentration (4.9 g L-1). The tests also showed that the addition of tryptone (2.0 g L-1) had a positive effect only when the urea concentration in the medium was low (1.5 g L-1). The main products formed were 1,3-propanediol, formate, 2,3-butanediol, lactate and acetate being produced very small amounts of ethanol. The highest rate of production of 1,3-propanediol occurred during the logarithmic phase of growth for both PA glycerol (5.67 mmol L-1 h-1) and for crude glycerin (5.28 mmol L-1 h-1). The product profile analysis showed that as the gases formed by fermentation were removed there was an increase in the ethanol production. However, when CO2 and H2 were not taken from the fermentative broth, production of ethanol was low (0.15 g L-1). The degradation of formate is linked to the process of regeneration of NADH. However, the mechanism of consumption of hydrogen formed from formate has not been completely explained. This mechanism serves as an alternative to maintaining the redox balance of the system and was more active in the final stage of the logarithmic growth phase or stationary phase. The yield of 1,3-propanediol derived from 75,6 g L-1 of glycerol and the isolated strain was equal to 42.90% and 39.60% for standard PA glycerol and crude glycerin, respectively. These results are very close to those determined for other strains of K. oxytoca and K. pneumoniae found in the literature, which values the selected strain. During fermentation of glycerol the imbalance between the reactions of the oxidative and reductive branches of metabolism leads to accumulation of 3-hydroxypropionaldehyde and cessation of bacterial growth. This phenomenon is probably due to a high in vivo activity of the enzyme glycerol-dehydratase, when compared to other enzymes of the anaerobic metabolism of glycerol under our experimental conditions. The data also indicated that this imbalance can be reduced by maintaining microaerobic conditions in the fermentation media. The mechanism of regeneration of NADH present in the bacterium Klebsiella oxytoca seems not to be restricted to a single direction of this conversion (formation of reduced or oxidized forms of NAD), because the enzyme reactions catalyzed by the enzyme glycerol dehydrogenase (oxidative branch) and an the enzyme 1,3-propanediol dehydrogenase (reductive branch) indicated that the microorganism consumed H2 partially to regenerate NADH. This seems to be an alternative metabolic compensation to stabilize or reduce the concentration of 3-hydroxypropionaldehyde.
Data da defesa: 20/08/2010
Cdigo: vtls000207793
Informaes adicionais:
Idioma: Portugus
Data de Publicao: 2010
Local de Publicao: Maring, PR
Orientador: Prof. Dr. Flvio Faria de Moraes
Co-Orientador: Prof. Dr. Gisella Maria Zanin
Instituio: Universidade Estadual de Maring. Centro de Tecnologia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica
Nvel: Tese (doutorado em Engenharia Qumica)/
UEM: Departamento de Engenharia Qumica

Responsavel: beth
Categoria: Aplicao
Formato: Documento PDF
Arquivo: Tese_Miguel_versao_10.pdf
Tamanho: 2875 Kb (2943531 bytes)
Criado: 07-10-2013 16:40
Atualizado: 07-10-2013 16:45
Visitas: 1376
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