Projetos
2019 - 2022
Produção sustentável e de base biológica de 1,3 propanodiol a partir de fontes de C5/C3 por clostrídios metabolicamente modificados
(FAPESP 2018/12471-1)
Esta proposta de pesquisa conjunta concentra-se na produção sustentável e de base biológica da commodity química 1,3-propanediol (PPD) por bactérias do gênero Clostridium. O PPD pode ser fabricado por síntese química ou por fermentação. Atualmente, cerca de 150000 toneladas de PPD são produzidas por ano, e espera-se que valor aumente para cerca de 225000 toneladas até 2022. A proposta de pesquisa se baseia em duas fontes renováveis de matéria-prima, ou seja, a fração C5 da hidrólise de lignocelulose e a fração C3 de glicerol residual da produção de biodiesel. Ambos são produzidos em grande quantidade tanto Alemanha quanto no Estado de São Paulo, decorrentes da produção de biodiesel e da hidrólise de lignocelulose em biorrefinarias. Assim, o projeto contempla vários tópicos deste edital, ou seja, o desenvolvimento de bioprodutos sustentáveis pelo uso/processamento de biomassa para a obtenção de produtos de base biológica visando o aproveitamento de matérias primas residuais. A utilização de duas diferentes matérias-primas de base biológica será realizada de forma a propiciar o crescimento das bactérias em pentoses (C5) com a geração de equivalentes redutores em excesso (NADH), que permitirão a conversão completa de glicerol em PPD. As vias de fermentação atuais do Clostridium para a utilização do glicerol são dificultadas pelo fato de que 50 % do glicerol precisa ser oxidado para produzir NADH, necessário para a redução de outros 50 % de glicerol em PPD. Assim, o emprego de C5 para propiciar o crescimento da bactéria com produção de NADH levará a uma alta conversão de glicerol em PPD. Isto será alcançado pela construção de mutantes de Clostridium sem a capacidade de utilizar equivalentes redutores para a produção de etanol, hidrogênio, isopropanol e lactato, obtidos através da inativação dos respectivos genes. Experimentos de fermentação revelarão quais matérias-primas são mais adequadas e se o uso simultâneo de pentose e glicerol será dificultado pela repressão catabólica. Nesse caso, a mutagênese direcionada também será empregada para inativar o regulador responsável repressão CcpA. A cepa de clostrídio prevista neste projeto empregará uma glicerol-desidratase independente da vitamina B12. Outro objetivo da proposta conjunta é a engenharia direcionada e a expressão de uma glicerol-desidratase dependente de vitamina B12 de Klebsiella pneumoniae, a fim de aumentar a sua atividade. Finalmente, também queremos abordar um futuro uso de energia renovável, empregando bioeletroquímica. Assim, testaremos se a
eletricidade gerada por energia solar, eólica ou hídrica pode ser usada como fonte de equivalentes redutores para a redução de glicerol em PPD. Cepas de clostrídios selvagem e recombinantes serão imobilizadas em eletrodos e os biofilmes serão testados para captação e uso dos elétrons fornecidos para produzir PPD por eletrofermentação em uma célula eletrolítica microbiana (MEC). A proposta de pesquisa conjunta ainda será complementada por programas de intercâmbio de estudantes de pós-graduação e pesquisadores que serão financiados por programas internacionais, independentes deste projeto.
Financiamento:
2018 - Atual
Obtenção de combustíveis, produtos e energia a partir de resíduos
agroindustriais em sistemas biológicos e bioeletroquímicos: uma
contribuição para a bioeconomia.
Financiamento:
Descrição: A bioeconomia é um assunto de grande interesse mundial, pois esta compreende a utilização de recursos biológicos renováveis da terra e do mar para produzir bioprodutos, tais como alimentos, combustíveis, materiais e energia. A obtenção de bioprodutos e energia se torna economicamente ainda mais interessante se as matérias primas se tratarem de subprodutos e/ou resíduos de atividades industriais. Dentro desse contexto, o Laboratório de Biotecnologia Ambiental e Energias Renováveis - LABIORE, do Departamento de Química da FFCLRP-USP, vem estudando tecnologias sustentáveis para a recuperação de biocombustíveis e energia a partir de águas residuárias e resíduos agroindustriais. Em projetos de pesquisa anteriores a cepa Br21 de Clostridium beijerinckii (número acesso KT626859) foi isolado em nosso laboratório, e desde então o seu metabolismo tem sido explorado para a produção de H2 por fermentação. Este projeto visa ampliar os conhecimentos sobre o potencial biotecnológico da cepa isolada, investigando, além do biohidrogênio, a formação de outros bioprodutos de seu metabolismo, tais como os ácidos orgânicos, etanol, acetona, butanol e isopropanol. Como matérias primas serão utilizados carboidratos puros normalmente presentes em matérias primas renováveis (glicose e xilose), ?hidrolisados lignocelulósicos sintéticos? contendo carboidratos e derivados de hidrólise de biomassas (5-hidroximetilfurfural, siringaldeído e vanilina), além de hidrolisado de resíduos lignocelulósicos, como a palha de cana de açúcar. Ensaios de fermentação serão realizados para determinar os principais produtos do metabolismo do C. beijerinckii Br21 e as variáveis cinéticas dos bioprocessos a partir destas matérias primas. Numa segunda etapa do projeto, será investigado um sistema integrado fermentação/bioeletroquímico, visando a recuperação do H2 produzido pelo C. beijerinckii a partir dos carboidratos e o emprego dos subprodutos da fermentação em uma célula microbiológica a combustível (CMC) para gerar energia elétrica. Desta forma, este projeto contribuirá com a bioeconomia pela maximização do aproveitamento das matérias primas lignocelulósicas para a produção de H2, bioprodutos e energia..
2015- 2017: Produção de biohidrogênio de terceira geração a partir de biomassa de alga e seus derivados de hidrólise (concluído)
Financiamento:
Descrição: O desenvolvimento de tecnologias para a obtenção de energias renováveis e menos poluentes é um assunto de interesse mundial. O hidrogênio (H2) é um combustível limpo- pois sua queima gera apenas água. O H2 pode ser produzido por via biológica (biohidrogênio), especialmente por fermentação, a partir de matérias-primas renováveis ricas em carboidratos. Recentemente, biomassas de algas com alta concentração de polissacarídeos têm sido estudadas como substratos para a produção de biohidrogênio, denominado de terceira geração. As algas apresentam elevado sequestro de CO2 e produtividade, comparada a outras biomassas, são organismos aquáticos, e, portanto, o seu cultivo não compete com a produção de alimentos. Além disso, as algas não apresentam lignina o que facilita a sua hidrólise. Neste projeto será utilizada biomassa da macroalga, Kappaphycus alvarezii, constituída por cerca de 50 a 70% de carboidratos, especialmente carragenana e celulose, como substrato para a produção de H2. Em uma primeira etapa do projeto serão isolados microrganismos produtores de H2 a partir de lodos anaeróbios que serão identificados por técnicas moleculares. O isolado deverá ter a capacidade de produzir H2 a partir de glicose e de galactose, os principais monossacarídeos derivados da hidrólise da alga. Posteriormente, será investigado o efeito de compostos potencialmente inibidores de fermentação, derivados da hidrólise da alga, tais como o 5-hidroximetilfurfural (HMF), o ácido levulínico e o ácido fórmico sobre a produção de H2 pelo microrganismo isolado. Numa segunda etapa do projeto será utilizada a biomassa da alga na sua forma integral e/ou como hidrolisado para a produção de H2. O hidrolisado será obtido a partir das condições ótimas de hidrólise com ácido clorídrico, estabelecidas por um planejamento experimental, tendo como variáveis a concentração do ácido, o tempo e a temperatura do tratamento. Portanto, este projeto verificará o potencial da biomassa da alga K. alvarezzi como substrato para a produção de biohidrogênio de terceira geração, além de estudar o efeito de monossacarídeos e inibidores, derivados da hidrólise da biomassa da alga, sobre a produção de H2 por fermentação..
2010-2014: Produção Biológica de Hidrogênio por Cultura Mista utilizando o Bagaço da Cana de Açúcar como Substrato (concluído)
Descrição: este projeto visa à produção de hidrogênio, um combustível limpo, alternativo aos combustíveis fósseis, pois sua combustão produz principalmente H2O. Este gás será produzido biologicamente, através da fermentação de carboidratos. Sabe-se que a produção biológica de hidrogênio (biohidrogênio) somente se torna economicamente competitiva, se as fontes de carboidratos forem de baixo custo, como os resíduos da agroindústria. Tendo em vista que o Estado de São Paulo é o maior processador de cana de açúcar do Brasil e que esta atividade gera uma grande quantidade de resíduos ricos em carboidratos, especialmente o bagaço de cana, será estudada a utilização deste resíduo como substrato para a produção de biohidrogênio. Entretanto, o carboidrato presente no bagaço deverá ser disponibilizado para a sua aplicação na fermentação. Neste projeto será realizada uma otimização da hidrólise do bagaço utilizando um planejamento experimental, tendo como variáveis a granulometria, a concentração do ácido, o tempo e a temperatura do tratamento. Como inóculo será utilizada cultura mista, ou seja, lodo de um sistema anaeróbio de tratamento de efluentes, submetido a diferentes tipos de pré-tratamentos para o enriquecimento de bactérias produtoras de hidrogênio. As condições adequadas à produção de hidrogênio por fermentação, tais com relação inicial substrato/microrganismo (So/Xo) e temperatura (35 e 50°C) empregando o bagaço de cana como fonte de carbono, serão investigadas em testes anaeróbios em batelada. A operação de biorreatores por longos períodos, a partir das condições estabelecidas nos testes em batelada, permitirá obter informações a respeito da possibilidade de produção estável de biohidrogênio a partir deste substrato. Além disso, será realizado o acompanhamento da microbiota presente nos biorreatores, através de ferramenta molecular baseada no DNA, o que permitirá avaliar a variabilidade genética dos principais organismos envolvidos na fermentação
Financiamento:
Geração de energia em Célula a Combustível Microbiológica a partir de matérias primas renováveis.
Atualmente há um grande interesse no desenvolvimento de tecnologias sustentáveis para a produção de combustíveis e energia, principalmente a partir de efluentes e resíduos agroindustriais. Dentre as tecnologias destacam-se as células a combustível microbiológicas ou Microbianas (CCMs). As CCMs, ou microbial fuel cell em inglês, MFC, são sistemas que utilizam bactérias como biocatalizadores da oxidação de compostos orgânicos e inorgânicos para geração de corrente elétrica. Os elétrons oriundos da oxidação são transferidos para um eletrodo no ânodo, e deste para o cátodo através de um material condutor. Neste projeto será estudada a produção de energia em uma CMC utilizando efluentes ricos em ácidos orgânicos como substrato. Para tal será construída uma CMC, sendo que o ânodo será constituído por um eletrodo de tecido de carbono e conterá uma cultura mista anaeróbia de microrganismos (lodo) como biocatalizador. Os compartimentos anôdicos e catódicos serão separados por uma membrana trocadora de prótons Nafion® utilizando um eletrodo de platina no lado catódico que ficará em contato direto com o ar. O ânodo será alimentado periodicamente com um efluente contendo ácidos orgânicos como fonte de carbono, que deverão ser oxidados para gerar energia. Serão determinados os principais parâmetros eletroquímicos geralmente avaliados em estudos de CMC, tais como potencial de circuito aberto e potência. A concentração dos ácidos orgânicos será determinada por cromatografia líquida de alta eficiência. Como resultados espera-se quantificar a potência gerada no sistema e como esta varia em função do consumo dos ácidos orgânicos. Desta forma serão estabelecidas condições iniciais para a geração de energia a partir de efluentes ricos em ácidos orgânicos.
Financiamento:
Produção de biocombustíveis e bioprodutos por cepas de Clostridium a partir de derivados da hidrólise de biomassa lignocelulósica.
Atualmente há um grande interesse no desenvolvimento de tecnologias sustentáveis para a produção de combustíveis e energia, principalmente a partir de efluentes e resíduos agroindustriais. Dentre as tecnologias destacam-se as células a combustível microbiológicas ou Microbianas (CCMs). As CCMs, ou microbial fuel cell em inglês, MFC, são sistemas que utilizam bactérias como biocatalizadores da oxidação de compostos orgânicos e inorgânicos para geração de corrente elétrica. Os elétrons oriundos da oxidação são transferidos para um eletrodo no ânodo, e deste para o cátodo através de um material condutor. Neste projeto será estudada a produção de energia em uma CMC utilizando efluentes ricos em ácidos orgânicos como substrato. Para tal será construída uma CMC, sendo que o ânodo será constituído por um eletrodo de tecido de carbono e conterá uma cultura mista anaeróbia de microrganismos (lodo) como biocatalizador. Os compartimentos anôdicos e catódicos serão separados por uma membrana trocadora de prótons Nafion® utilizando um eletrodo de platina no lado catódico que ficará em contato direto com o ar. O ânodo será alimentado periodicamente com um efluente contendo ácidos orgânicos como fonte de carbono, que deverão ser oxidados para gerar energia. Serão determinados os principais parâmetros eletroquímicos geralmente avaliados em estudos de CMC, tais como potencial de circuito aberto e potência. A concentração dos ácidos orgânicos será determinada por cromatografia líquida de alta eficiência. Como resultados espera-se quantificar a potência gerada no sistema e como esta varia em função do consumo dos ácidos orgânicos. Desta forma serão estabelecidas condições iniciais para a geração de energia a partir de efluentes ricos em ácidos orgânicos.
Cocultivo de cepas de Clostridium beijerinckii para a obtenção biotecnológica de n-butanol
A obtenção de bioprodutos e energia se torna economicamente mais interessante se as matérias primas se tratarem de subprodutos e/ou resíduos de atividades industriais. Dentro desse contexto, o Laboratório de Biotecnologia Ambiental e Energias Renováveis – LABIORE, do Departamento de Química da FFCLRP-USP, vem estudando tecnologias sustentáveis para a recuperação de biocombustíveis e energia a partir de águas residuárias e resíduos agroindustriais. Em projetos de pesquisa anteriores a cepa Br21 de Clostridium beijerinckii foi isolada em nosso laboratório, e desde então o seu metabolismo tem sido explorado para a produção de diferentes produtos de interesse comercial. Entretanto, este microrganismo sozinho não é capaz de formar o biocombustível butanol. Este projeto visa investigar a formação de butanol realizando o cocultivo da cepa Br21 com outras de Clostridium beijerinckii com capacidade de formação de n-butanol. Serão utilizadas como matérias primas, carboidratos presentes em matérias primas renováveis (glicose e xilose). Desta forma, deseja-se contribuir para o desenvolvimento de um processo sustentável de obtenção do n-butanol, um potencial substituto para a gasolina.