Publication
Fractionation of sugarcane fermentation spent broths aqueous phase for production of value-added components towards an integrated biorefinery concept in synthetic biotechnology
| datacite.subject.fos | Ciências Agrárias::Biotecnologia Agrária e Alimentar | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Oliveira, Catarina Silva Simão de | |
| dc.contributor.advisor | Burgal, João Porfírio da Silva | |
| dc.contributor.advisor | Cálix, Carla Maria Dias Marques de Oliveira | |
| dc.contributor.author | Horta, Bruno Miguel Guedes | |
| dc.date.accessioned | 2024-11-28T17:04:53Z | |
| dc.date.embargo | 2027-11-28 | |
| dc.date.issued | 2024-04-05 | |
| dc.date.submitted | 2023-09 | |
| dc.description.abstract | Farnese aqueous waste (FAW) consists of the fermentation spent broth generated from the production of trans-β-farnesene, by Amyris, Inc.. It is generated in high scale and is usually disposed of by land disposal and fertirrigation, causing environmental problems. The main objective of this PhD project was to study and fractionate FAW, developing value-added products in line with the circular economy concept. Consequently, an integrated downstream process was developed, and the compositional and bioactive characteristics of the resulting products were assessed to determine their potential applications. FAW has an average dry matter content of 63.56±18.67 g/L, 10.08±3.75 g/L of ash content, 18.71±5.97 g/L of proteins, 1.15±0.47 g/L of ammonia, 2.08±1.35 g/L of total lipids, 12.83±7.35 g/L of organic acids, 10.63±4.95 g/L of sugars, 1.00±0.56 g/L of volatile compounds and 23.31±15.8 mg/L phenolic compounds. FAW proteinaceous compounds were comprised of small peptides with molecular weight below 1 kDa, and a great variety of amino acids (AA). The most interesting compounds to target in subsequent fractionation were the proteinaceous fractions, which could be used as ingredients for animal feed; minerals, with potential benefits for plant fertilisation; and phenolic compounds, known for their bioactive properties and their potential applications in cosmetic formulations. Chemical methods, such as precipitation, salting-out, aqueous two-phase systems, were initially used to recover protein and mineral-rich fractions. However, the use and disposal of chemicals could give rise to environmental concerns and compromise the sustainability of the valorisation strategy. Therefore, a chemical-free and environmentally friendly process was developed to remove nutrients from FAW creating a potential product for agriculture. In this regard, natural zeolites were used to treat FAW and removing and recovering nutrients, mainly potassium (K), peptides and AA (nitrogenous compounds – N). The optimal conditions for the simultaneous recovery of K and total N were obtained with a 0.2 Z/F (zeolite/FAW) ratio, 50 rpm mixing, 10 hours of contact and the use of 2 contact units, in a counter-current scheme. This process resulted in the production of zeolites loaded with 3597.23±368.33 mg/kg of ammoniacal N, 255.84±28.99 mg/kg of P, 36626.45±4215.54 mg/kg of K, 113.06±4.75 mg/kg of free AA and 4700.31±346.90 mg/kg of total AA. Peptides were also detected in the loaded zeolites. The composition displayed promising attributes for agricultural practices and exhibited encouraging results in preliminary phytotoxicity assessments, indicating its safety application on plants. The secondary output obtained from this process, consisted of treated FAW, which was an aqueous fraction that still contained a considerable nutrient load. Therefore, a cascade membrane filtration, using membranes with different molecular-weight cut-off (MWCO), was developed to recover compounds for application in cosmetic and animal feed formulations. It consisted of a sequential filtration employing micro-, ultra- and nano- filtration membranes. Two stages of ultrafiltration generated two retentates with compositional similarities in terms of the protein content (15.79±0.06 g/L and 6.96±0.03 g/L, respectively), minerals (7.83±0.14 g/L and 5.30±0.05 g/L, respectively), total analysed phenolic compounds (22.65±0.44 mg/L and 27.15±0.06 mg/L, respectively), and exhibited an interesting antioxidant activity. These fractions were hypothesised as aquafeed ingredients. As for the nanofiltration stage, a retentate with a protein content of 8.34±0.01 g/L, minerals content of 10.67±0.14 g/L and the total analysed phenolic compounds of 56.35 ± 0.29 mg/L, was obtained. The peptide profile of this sample consisted of 2.59% of peptides with MW between 1000 and 5000 Da, 50.58% in the 500- 1000 Da range and 46.83% with MW below 500 Da. This fraction also demonstrated interesting antioxidant activity. Due to its significant content in small peptides and the need for more extensive sample processing and capital investment, this retentate was targeted towards more lucrative markets, such as cosmetics. The permeate had a low nutrient load and could be considered as treated effluent. Thus, an integrated process for the valorisation of FAW was developed, which allows obtaining five products with potential commercial interest – an agricultural additive, ingredients for aquafeed and ingredients for cosmetics – additionally to a treated effluent. | pt_PT |
| dc.description.abstract | O resíduo aquoso de farneseno (FAW) consiste no caldo de fermentação que é gerado a partir da produção de trans-β-farneseno pela Amyris, Inc.. Este é gerado em grande escala sendo normalmente descartado no solo ou usado para fertirrigação, causando problemas ambientais. O objetivo deste projeto de doutoramento foi o estudo e fracionamento do FAW, desenvolvendo produtos de valor acrescentado, em linha com o conceito de economia circular. Consequentemente, desenvolveu-se um processo integrado de “downstream” e estudou-se a composição e atividade bioativa dos produtos resultantes para determinar potenciais aplicações. O FAW é constituído por um teor médio de matéria seca de cerca de 63,56±18,67 g/L, 10,08±3,75 g/L de cinzas, 18,71±5,97 g/L de proteínas, 1,15±0,47 g/L de amónia, 2,08±1,35 g/L de lípidos totais, 12,83±7,35 g/L de ácidos orgânicos, 10,63±4,95 g/L de açúcares totais, 1,00±0,56 g/L de compostos voláteis, e 23,31±15,8 mg/L de compostos fenólicos. Os compostos proteicos do FAW são, ainda, constituídos por pequenos péptidos com peso molecular inferior a 1 kDa e uma grande variedade de aminoácidos (AA). Da análise da constituição do FAW foi possível identificar as classes de compostos mais interessantes para posterior fracionamento: compostos proteicos, para serem usados como ingredientes para alimentação animal; minerais, com potenciais benefícios para fertilização de plantas; e compostos fenólicos, conhecidos pelas suas propriedades bioativas e potenciais aplicações em formulações cosméticas. Na recuperação das frações ricas em proteínas e minerais utilizaram-se métodos químicos, tais como a precipitação e sistemas aquosos bifásicos. No entanto, o uso de químicos e os resíduos produzidos podem originar preocupações ambientais e comprometer a sustentabilidade da estratégia de valorização. Neste sentido, desenvolveu- se um processo, sem a adição de produtos químicos e ambientalmente amigável, para remover os nutrientes do FAW e incorporá-los num produto que pudesse ser usado na agricultura. Este processo usa zeólitos naturais para remoção e recuperação de nutrientes, nomeadamente potássio (K), péptidos e AA (compostos azotados –N). As condições ideais para a recuperação simultânea de K e proteínas foram 0,2 Z/F (zeólito/FAW), agitação a 50 rpm, durante 10 horas e 2 unidades de contacto, num sistema de contracorrente. Este processo resultou na produção de zeólitos carregados com 3597,23±368,33 mg/kg de N amoniacal, 255,84±28,99 mg/kg de P, 36626,45±4215,54 mg/kg de K, 113,06±4,75 mg/kg de AA livres e 4700,31±346,90 mg/kg de AA totais. Também foram detetados péptidos nos zeólitos carregados. A composição destes é promissora para práticas agrícolas e os resultados de uma avaliação preliminar da fitotoxicidade indicam uma aplicação segura em plantas. O produto secundário obtido deste processo consiste em FAW tratado, uma fração aquosa que ainda contém uma carga considerável de nutrientes. Portanto, foi desenvolvida uma cascata de filtração por membrana, usando membranas com diferentes cut-off de pesos moleculares, para recuperar proteínas, minerais e compostos fenólicos para aplicação em formulações cosméticas e alimentação animal. Esta consistiu numa filtração sequencial usando membranas de micro-, ultra- e nano filtração. As duas etapas de ultrafiltração geraram frações retidas semelhantes em termos do teor de proteína (15,79±0,06 g/L e 6,96±0,03 g/L, respetivamente), minerais (7,83±0,14 g/L e 5,30±0,05 g/L, respetivamente) e compostos fenólicos totais analisados (22,65±0,44 mg/L e 27,15±0,06 mg/L, respetivamente) e demonstraram ter atividade antioxidante interessante. Estas frações foram idealizadas como ingredientes para ração de peixes. Quanto à nano filtração, obteve-se uma fração retida com um teor de proteína de 8,34±0,01 g/L, teor de minerais de 10,67±0,14 g/L e os compostos fenólicos totais analisados compreendiam 56,35±0,29 mg/L. O perfil de péptidos desta amostra consistiu em 2,59% de peptídeos com MW entre 1000 e 5000 Da, 50,58% na faixa de 500-1000 Da e 46,83% com peso molecular inferior a 500 Da. Esta fração também exibiu atividade antioxidante interessante. Devido ao teor significativo em pequenos péptidos e à necessidade de um maior processamento e investimento, esta fração retida foi pensada para mercados mais lucrativos, como cosméticos. O permeado tinha uma reduzida carga orgânica, podendo ser considerado um efluente tratado. Assim, desenvolveu-se um processo integrado para a valorização do FAW, que permitiu obter cinco produtos com potencial interesse comercial – um suplemento para a agricultura, ingredientes para aquacultura e cosméticos – adicionalmente a um efluente tratado. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 101748450 | pt_PT |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.14/47360 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.subject | Circular economy | pt_PT |
| dc.subject | Valorisation | pt_PT |
| dc.subject | Aqueous waste | pt_PT |
| dc.subject | Value-added | pt_PT |
| dc.subject | Economia-circular | pt_PT |
| dc.subject | Valorização | pt_PT |
| dc.subject | Resíduos aquosos | pt_PT |
| dc.subject | Valor acrescentado | pt_PT |
| dc.title | Fractionation of sugarcane fermentation spent broths aqueous phase for production of value-added components towards an integrated biorefinery concept in synthetic biotechnology | pt_PT |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| person.familyName | Guedes Horta | |
| person.givenName | Bruno Miguel | |
| person.identifier.ciencia-id | DE1B-47FC-B434 | |
| person.identifier.orcid | 0000-0003-2769-8958 | |
| rcaap.rights | embargoedAccess | pt_PT |
| rcaap.type | doctoralThesis | pt_PT |
| relation.isAuthorOfPublication | 2c7e550f-3558-4015-87f8-8f2b68e7218b | |
| relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery | 2c7e550f-3558-4015-87f8-8f2b68e7218b | |
| thesis.degree.name | Doutoramento em Biotecnologia | pt_PT |