Oliveira, Carla Cristina Marques deOliveira, Ana Lúcia da SilvaÇarsanba, ErdemCarvalho, Luís Carlos Rocha2024-12-092024-12-092024-01-262023-08http://hdl.handle.net/10400.14/47471The industrial production of β-farnesene is traditionally achieved through Saccharomyces cerevisiae fed-batch fermentation, often employing sugarcane syrup as the feedstock. However, the presence of phenolic compounds in sugarcane syrup potentially impacts yeast performance. This thesis aimed to study the evolution of phenolic compounds over β-farnesene production by S. cerevisiae in bioreactor fermentations with sugarcane syrup, assess the phenolic compounds’ impact on this process, and explore the potential of beet syrup, a lower phenolic content alternative feedstock, for β-farnesene production via a similar fermentation process. The phenolic compounds present within both the sugarcane syrup and the fermentation broth were systematically identified and quantified. Sugarcane syrup presented 50.7 mg/L of total phenolic content (TPC), comprising hydroxybenzoic acids, hydroxycinnamic acids and flavonoids. Among two kinetic models assessed, the Weibull model exhibited superior fitting capacity (R2 ≥ 0.85) and accurately depicted phenolic compounds’ accumulation during the 13-day fed-batch fermentation in 2 L bioreactors. The concentration of most phenolic compounds ascended until day three, stabilizing until the end of the fermentation process. Nevertheless, hydroxybenzaldehyde and protocatechuic, caffeic, ferulic and p-coumaric acids declined after the second day, indicating yeast metabolism. This work provides a model that can be applied to describe the phenolic accumulation during similar fed-batch processes. To investigate the phenolic influence on the fermentation, sugarcane syrup phenolic compounds were effectively removed with activated charcoal. The syrup purification process was optimized with a central composite design, varying the type of charcoal, concentration of charcoal and contact time. Optimization yielded purification conditions with charcoal pellets at 115 g/L and 12.5 h of contact time, while removing 96.7 % of phenolic compounds and recovering 43.7% of syrup mass. Purified syrup introduction into fermentations displayed divergent scale-dependent outcomes. Although in shake-flasks there was an 11 % enhancement in β-farnesene productivity, no significant increase was detected in bioreactors. In contrast, an increment in biomass productivity was exclusive to bioreactors, registering an increase of 12 %. Therefore, for the conditions tested, the phenolic compounds did not influence the β-farnesene production at large-scale. Moreover, β-farnesene production using an alternative feedstock, sugarbeet syrup, was successful. Despite presenting lower TPC (21.3 mg/L) compared to sugarcane syrup (50.7 mg/L), beet syrup contained high glucose (193 g/L) and hydroxymethylfurfural (HMF; 1.4 g/L) concentrations. Inoculum production in the second bioreactor step required optimization due to slow growth and the desired cell density was achieved with a fed-batch mode with initial 40 g/L of sugars from beet syrup and 10 g/L of sugar pulses. Over 8 days, fed-batch fermentation yielded 127 g/L β-farnesene concentration, with 19.44 % cumulative yield and 1.70 g/L/h cumulative productivity, affirming the viability of using beet syrup as the fermentation feedstock. In conclusion, this thesis showcased the dynamic relationship between phenolic content and β-farnesene fed-batch process highlighting an increase in the fermentation broth's phenolic content. Notably, specific phenolic compounds were metabolized by the yeast. The effects of sugarcane syrup phenolic compounds on S. cerevisiae were dependent on the fermentation scale. While valuable for mitigating yeast oxidative stress, phenolic compounds’ removal did not enhance bioreactor fermentation productivity. On the other hand, the utilization of beet syrup as feedstock may enable β-farnesene production in mild climates without extensive sugarcane cultivation, fostering sustainable production across diverse regions.A produção industrial de β-farneseno é alcançada através da fermentação semi-contínua de Saccharomyces cerevisiae, principalmente utilizando xarope de cana-de-açúcar como matéria-prima. No entanto, a presença de fenóis no xarope de cana-de-açúcar pode impactar o desempenho da levedura. Esta tese teve como objetivo estudar a evolução dos fenóis ao longo da produção de β-farneseno por S. cerevisiae em fermentações de biorreator utilizando xarope de cana-de-açúcar, avaliar o impacto dos fenóis neste processo, e explorar o potencial de xarope de beterraba, uma matéria-prima alternativa com menos fenóis, na produção de β-farneseno através de um processo similar. Os fenóis presentes no xarope e no caldo fermentativo foram identificados e quantificados. O xarope de cana-de-açúcar apresentou 50.7 mg/L de conteúdo fenólico total (CFT), compreendendo ácidos hidroxibenzóicos, ácidos hidroxicinámicos e flavonoides. Entre os dois modelos cinéticos avaliados, o modelo Weibull exibiu um ajuste superior (R2 ≥ 0.85) e descreveu com precisão a acumulação fenólica durante a fermentação semi-contínua de 13 dias em biorreatores de 2 L. A concentração da maioria dos fenóis aumentou até ao dia 3, estabilizando até ao fim da fermentação. No entanto, hidroxibenzaldeído e os ácidos protocatecuico, cafeico, ferúlico e p-cumárico diminuíram após o segundo dia, indicando a sua metabolização pela levedura. Este trabalho fornece um modelo que pode ser aplicado para descrever a acumulação fenólica em processos similares. Para investigar a influência dos fenóis na fermentação, os fenóis do xarope de cana-de-açúcar foram removidos com carvão ativado. O processo de purificação de xarope foi otimizado com um desenho composto central, alterando o tempo de contacto e o tipo e a concentração de carvão. A otimização da purificação convergiu na condição com pastilhas de carvão a 115 g/L e com 12.5 h de tempo de contacto, e removeu 96.7 % dos fenóis e recuperou 43.7 % da massa de xarope. A introdução de xarope purificado em fermentações apresentou resultados divergentes em função da escala. Apesar de em frascos ter havido uma melhoria de 11 % na produtividade de β-farneseno, em biorreatores não foi detetado nenhum aumento. Em contraste, um aumento de 12 % na produtividade de biomassa foi exclusivo dos biorreatores. Portanto, para as condições testadas, os fenóis não influenciaram a produção de β-farneseno em grande escala. Para além disso, a produção de β-farneseno utilizando uma matéria-prima alternativa, xarope de beterraba, foi bem-sucedida. Apesar de apresentar CFT menor (21.3 mg/L) comparado com o xarope de cana-de-açúcar (50.7 mg/L), o xarope de beterraba apresentou elevada concentração de glucose (193 g/L) e hidroximetilfurfural (HMF; 1.4 g/L). A preparação do inóculo no segundo passo em reator necessitou de otimização devido ao crescimento lento da levedura e a densidade celular desejada foi atingida em fermentação semi-contínua com 40 g/L de açúcares de xarope de beterraba e com pulsos de 10 g/L. Após 8 dias, a fermentação semi-contínua resultou em 127 g/L de concentração de β-farneseno, com 19.44 % de rendimento acumulado e 1.70 g/L/h de produtividade acumulada, demonstrando a viabilidade de usar xarope de beterraba nesta fermentação. Em conclusão, esta tese destacou a relação entre os fenóis e o processo de fermentação semi-contínuo de β-farneseno destacando o aumento fenólico no caldo fermentativo. Notavelmente, fenóis específicos foram metabolizados pela levedura. Os efeitos dos fenóis do xarope de cana-de-açúcar em S. cerevisiae foram dependentes da escala de fermentação. Mesmo sendo valiosos para a mitigação do stress oxidativo na levedura, a remoção dos fenóis não melhorou a produtividade da fermentação em biorreator. Por outro lado, a utilização do xarope de beterraba como matéria-prima pode permitir a produção de β-farneseno em climas amenos sem cultivo extensivo de cana-de-açúcar, fomentando a produção sustentável em regiões diversificadas.engSaccharomyces cerevisiaePhenolic compoundsβ-farneseneBioreactor fermentationAntioxidant and antimicrobial activitiesSugarcane syrupSugarbeet syrupFenóisβ-farnesenoFermentação em biorreatorAtividades antioxidante e antimicrobianaXarope de cana-de-açúcarXarope de beterrabadoctoral thesis101748620