O H2 pode ser obtido por processos biológicos, como a fermentação, conduzidos à temperatura e pressão ambientes. Para tal são utilizadas matérias-primas renováveis, ricas em carboidratos, como as biomassas lignocelulósicas e de algas. Estas biomassas têm estrutura química complexa e requerem uma etapa de pré-tratamento e/ou hidrólise antes da sua utilização na fermentação. Processos de hidrólise podem liberar, tanto monossacarídeos, quanto substâncias potencialmente inibidoras de fermentação. Esse estudo avaliou o efeito de 3 potenciais inibidores de fermentação (5-hidroximetilfurfural -HMF, ácido levulínico AL e ácido fórmico AF), derivados da hidrólise de biomassas. Ensaios cinéticos de fermentação em batelada foram realizados com o microrganismo produtor de H2, Clostridium beijerinckii Br21, utilizando glicose como fonte de carbono e diferentes concentrações de cada inibidor. O efeito do HMF, do AL e do AF foram avaliados nas faixas de concentração de 0,5 a 2,5 g/L, de 1,0 a 4,0 g/L, e de 0,5 a 2,0 g/L, respectivamente. Retiraram-se amostras do gás produzido e do líquido para estimar as velocidades específicas de produção de H2, do crescimento celular e de consumo de glicose, nos ensaios com e sem a presença de inibidor (controle). Foi observada inibição de todos os parâmetros avaliados, comparados ao controle. Houve um aumento do tempo para início da produção e diminuição do rendimento de H2 com o aumento da concentração de todos os inibidores. Os resultados das fermentações permitiram estimar a concentração dos compostos que inibem 50% a produção de H2, o crescimento celular e o consumo do substrato (CI50). Os valores de CI50 obtidos para a produção de H2 pelo HMF, AL e AF foram 0,89, 2,50 e 1,15 g/L, respectivamente. Para o crescimento celular a CI50 do HMF, AL e AF foram 1,42, 2,08 e 1,46 g/L, respectivamente. Para o consumo de substrato a CI50 foi 3,23, 3,79 e 0,43 g/L, para o HMF, AL e AF, respectivamente. As concentrações de CI50 para a produção de H2 foram testados em 2 microrganismos distintos, o C. beijerinckii Br21 e o Clostridium acetobutylicum ATCC 824, para fins comparativos. Assim pode-se verificar a inibição na produção de H2 no C. beijerinckii Br21 de 49,3, 48,7 e 51,3%, enquanto que o C. acetobutylicum ATCC 824 apresentou inibição de 45,5, 61,3 e 59,6%, para o HMF, AL e AF, respectivamente. Foi estimada também a concentração de compostos que inibem 25% a produção de H2, a CI25, a fim de realizar misturas com os inibidores e testá-las em ambos os microrganismos. Os valores obtidos de CI25 para HMF, AL e AF foram 0,66, 2,15 e 0,89 g/L, respectivamente. A partir desses valores foram feitas 4 misturas distintas: HMF+AL, HMF+AF, AL+AF e HMF+AL+AF. A inibição da produção de H2 a partir dessas misturas em C. beijerinckii Br21foram de 58,9, 58,4, 49 e 85,9%, enquanto que para o C. acetobutylicum ATCC 824 obteve-se os valores de 67,6, 66,6, 55,5 e 88,8%, para HMF+AL, HMF+AF, AL+AF e HMF+AL+AF, respectivamente. Portanto, pode-se notar que o C. acetobutylicum ATCC 824 mostrou ser mais sensível aos efeitos causados pelos inibidores, sendo que o HMF parece atuar mais sobre a produção de H2, enquanto que os ácidos têm efeito mais global no metabolismo da bactéria. Esses estudos mostraram os limites destes compostos, quando se deseja utilizar hidrolisados de biomassas como matéria-prima para a produção fermentativa do H2.pelas espécies de Clostridium estudadas. / H2 can be obtained by biological processes, such as fermentation, conducted at ambient temperature and pressure. Renewable raw materials like lignocellulosic and algae biomass, which are rich in carbohydrates, can be used for this purpose. These types of biomass have complex chemical structures and require a pretreatment and/or hydrolysis step before they are used in fermentation. Hydrolysis may release not only monosaccharides but also potentially fermentation-inhibiting substances. This study evaluates how three potential fermentation inhibitors (5-hydroxymethylfurfural (HMF), levulinic acid-(LA), and formic acid (FA) derived from algal biomass hydrolysis affect H2 production. Kinetic batch fermentation assays were performed by using the H2-producing microorganism Clostridium beijerinckii Br21, glucose as carbon source, and different concentrations of each inhibitor. The effect of HMF, LA, and FA on H2 production was evaluated for inhibitor concentrations ranging from 0.5 to 2.5 g/L, 1.0 to 4.0 g/L, and 0.5 to 2.0 g/L, respectively. Samples of the produced gas and liquid were taken to estimate the specific rates of H2 production, cell growth, and glucose consumption in the assays conducted in the presence or in the absence (control) of an inhibitor. Increasing inhibitor concentration delayed the onset of H2 production and diminished the H2 yield. The fermentation results allowed us to estimate the inhibitor concentration that inhibited 50% of the H2 production, cell growth, and substrate consumption rates, designated IC50. Concerning the H2 production rate, IC50 was 0.89, 2.50, and 1.15 g/L for HMF, LA, and FA, respectively. As for the cell growth rate, IC50 was 1.42, 2.08, and 1.46 g/L for HMF, LA, and FA, respectively. Regarding the substrate consumption rate, IC50 was 3.23, 3.79, and 0.43 g/L for HMF, LA, and FA, respectively. IC50 was also tested in the presence of C. beijerinckii Br21 or Clostridium acetobutylicum ATCC 824 and one of the inhibitors. The H2 production rate decreased by 49.3, 48.7, and 51.3% in the presence of C. beijerinckii Br21 and of HMF, AL, or AF, respectively. In the presence of C. acetobutylicum ATCC 824 and of HMF, AL, or AF, the H2 production rate reduced by 45.5, 61.3, and 59.6%, respectively. The inhibitor concentration that inhibited 25% of H2 production, IC25, was also determined so that mixtures of the inhibitors could be prepared and tested in the presence of the microorganisms. HMF, LA, and FA afforded IC25 of 0.66, 2.15, and 0.89 g/L, respectively. On the basis of these values, four different mixtures were prepared: HMF+LA, HMF+FA, LA+FA, and HMF+LA+FA. In the presence of C. beijerinckii Br21, HMF+LA, HMF+FA, LA+FA, and HMF+LA+FA inhibited H2 production by 58.9, 58.4, 49, and 85.9%, respectively, whereas in the presence of C. acetobutylicum ATCC 824, inhibitions were 67.6, 66.6, 55.5, and 88.8% respectively. Therefore, C. acetobutylicum ATCC 824 was more sensitive to the effects caused by inhibitors. HMF seemed to affect the H2 production rate more, whereas acids appeared to act more globally on bacterial metabolism. These results reveal the concentration limits of the tested inhibitors when biomass hydrolysates are employed as raw material for fermentative H2 production.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-12122017-190319 |
| Date | 10 November 2017 |
| Creators | Giraldeli, Lucas Diniz |
| Contributors | Spiller, Valeria Reginatto |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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