Efterfrågan på energi ökar snabbt, och denna trend förväntas bestå. Det råder dock ingen tvekan om att världen för närvarande befinner sig i en energikris, som är en katastrof både ekonomiskt och miljömässigt. Följaktligen är sökandet efter alternativa energikällor för att ersätta fossila bränslen absolut nödvändigt. Biobränslen som härrör från biomassa ökar i popularitet på grund av deras höga tillgänglighet och förmåga att minska utsläppen av växthusgaser. Butylbutyrat är ett potentiellt substitut för diesel- och flygmotorbränsle, vilket gör det till en viktig energikälla för både land- och lufttransporter. I den här studien undersöks enzymatisk katalys för produktion av butylbutyrat genom förestring av butanol och smörsyra med hjälp av olika membran. Användningen av enzymer som katalysatorer erbjuder många fördelar jämfört med traditionella kemiska katalysatorer, såsom ökad selektivitet, mildare reaktionsförhållanden och miljövänliga processer. Estrarnas byggstenar, n-butanol och smörsyra, är viktiga kemikalier och kan produceras i biotekniska processer med hjälp av förnybara källor som lignocellulosabaserad biomassa, vilket bidrar till övergången från en petroleumbaserad till en hållbar energiförsörjning. Produktionen av butanol och smörsyra i bioreaktorer försvåras av de typiska hindren för biobränsleproduktion, såsom produkthämning, höga bearbetningskostnader i efterföljande led och låga utbyten. NanoLodge-projektet bygger på tre reaktorer, en för produktion av butanol och en för smörsyra, i två separata men sammankopplade kontinuerliga Clostridium fermenteringar, och ett tredje reaktionssystem för enzymatisk förestring. Alla tre processerna i en, med dedikerade membran som separerar de olika reaktiva systemen, förväntas öka utbytet och samtidigt skapa en mycket integrerad anläggning som kan skalas upp för storskalig drift. Med hjälp av Raman-spektroskopi, GC-FID, FTIR och SEM undersöktes och karakteriserades fem distinkta material och deras relativa membranförändringar, inklusive enzymet på det översta lagret. FTIR-resultaten indikerade att för några av dem var porerna effektivt fuktade med reaktanterna, och membranens hydrofobicitet ökades genom att applicera lämplig beläggning, som även innefattade enzymet. Även om varken syntes av butylbutyrat eller passage genom de olika skikten av membranen inträffade, visade Raman-spektroskopi och GC-FID att et av membranen var en möjlig kandidat för förestring. Dessutom kunde inte alla testade membran motstå reaktionsmediet eftersom SEM-bilder avslöjade att vissa områden av ytan och strukturen hade ändrats något. Mer studier behövs för att fastställa att det med lovande membranet och dess modifieringar, särskilt den hydrofoba naturen och det immobiliserade enzymet, är acceptabla för butylbutyratsyntes. Ytterligare forskning kan utforska processoptimering, enzymimmobiliseringstekniker och reningsmetoder nedströms för att förbättra den totala effektiviteten och ekonomiska bärkraften för denna enzymatiska förestringsprocess.

Submitted by Izabel Franco (izabel-franco@ufscar.br) on 2016-10-26T17:28:34Z No. of bitstreams: 1 TeseJBCS.pdf: 2225419 bytes, checksum: d3ec7a73f461b658739175f8e171c762 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-11-08T18:27:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseJBCS.pdf: 2225419 bytes, checksum: d3ec7a73f461b658739175f8e171c762 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-11-08T18:27:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseJBCS.pdf: 2225419 bytes, checksum: d3ec7a73f461b658739175f8e171c762 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-08T18:27:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseJBCS.pdf: 2225419 bytes, checksum: d3ec7a73f461b658739175f8e171c762 (MD5) Previous issue date: 2016-08-25 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Cell-associated lipases have been considered biocatalysts economically advantageous because they are produced at low cost, avoiding further recovery or purification steps. Few studies regarding Streptomyces clavuligerus lipase have reported the production of extracellular enzyme, although at first this had been considered a cell-associated enzyme. In this context, the aim of this work was the production of the cell-associated lipase from Streptomyces clavuligerus (whole-cell lipase, Sc-WCL) by submerged fermentation, the biochemical characterization of the enzyme and its use in the synthesis of butyl butyrate, an aroma ester with industrial importance. The culture conditions on rotary shaker and the operational parameters for cultivation in bioreactor were evaluated in order to establish a protocol for Sc- WCL production. The conditions for S. clavuligerus cultivation in rotary shaker that resulted in maximal hydrolytic activity of Sc-WCL (3,000 U.L-1) were: baffled flask, free-glycerol production medium, pH 6.8 and 28 °C. The operational parameters in bench reactor that resulted in maximal volumetric productivity of Sc-WCL (54 U.L-1.h-1) were agitation of 400 rpm and aeration of 1 vvm. The maximal volumetric productivity in bioreactor operated under selected conditions (52.5 U.L-1.h-1) was reached after 24 h, while similar productivity in rotary shaker (54.8 U.L-1.h -1) was achieved only after 48 h fermentation. The catalytic potential of Sc-WCL in hydrolysis reactions was comparable to the commercial lipase preparations. Sc- WCL was more active at 60 °C and pH 10.7, and stable at 30-40 °C after 1 h incubation at pH 10. For butyl butyrate synthesis catalyzed by Sc-WCL, the reaction conditions that resulted in higher ester conversion (85%) were: 5 g of Sc-WCL/ L, molar ratio of fatty acid: alcohol 1:1 in heptane and 8 h reaction. The stability at alkaline pH and organic medium (leastwise in heptane and butanol), associated with the low cost, make Sc-WCL attractive in industrial applications, such as flavors synthesis, detergent formulations, hydrolysis of vegetable oils, among others. / Lipases associadas à célula têm se destacado como biocatalisadores economicamente vantajosos, pois são produzidas a baixo custo, dispensando etapas posteriores de recuperação ou purificação. Poucos estudos sobre lipase de Streptomyces clavuligerus relatam a produção da enzima extracelular, embora esta tenha sido, a princípio, considerada uma enzima associada à célula. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi a produção de lipase associada à célula de Streptomyces clavuligerus (lipase “whole-cell”, Sc-WCL) por fermentação submersa, a caracterização bioquímica da enzima e sua aplicação na síntese de butirato de butila, um éster de aroma com importância industrial. As condições de cultivo em shaker e os parâmetros operacionais para cultivo em biorreator foram avaliados com o intuito de estabelecer um protocolo para a produção de Sc-WCL. As condições de cultivo de S. clavuligerus em shaker que resultaram em maior atividade hidrolítica de Sc-WCL (3.000 U.L- 1) foram: frasco aletado, ausência de glicerol no meio de produção, pH 6,8 e 28 ºC. Os parâmetros operacionais em reator de bancada que resultaram em maior produtividade volumétrica de Sc-WCL (54 U.L-1.h-1) foram: agitação de 400 rpm e aeração de 1 vvm. A máxima produtividade volumétrica em biorreator operado nas condições selecionadas foi alcançada após 24 h de cultivo (52,5 U.L-1.h-1), enquanto que produtividade similar em shaker foi obtida somente após 48 h de cultivo (54,8 U.L-1.h-1). O potencial catalítico de Sc-WCL em reações de hidrólise foi comparável ao de preparações comerciais de lipase. Sc-WCL foi mais ativa a 60 ºC e pH 10,7, e mais estável na faixa de 30 a 40 ºC após 1 h de incubação a pH 10. Na síntese de butirato de butila catalisada pela Sc-WCL, as condições reacionais que resultaram em maior conversão (85%) foram: 5 g de Sc-WCL/ L, razão molar ácido graxo/álcool 1:1 em heptano e 8 h de reação. A estabilidade em pH alcalino e em meio orgânico (pelo menos em heptano e butanol), associada ao baixo custo, tornam a Sc-WCL atrativa em aplicações de interesse industrial, tais como, síntese de aromas, formulações de detergentes, hidrólise de óleos vegetais, dentre outras.