Biotechnological processes for vinasse application into the biorefinery concept for the sucroenergetic sector

Economicamente, os elevados volumes de vinhaça tem se tornado onerosos para algumas usinas e, em certo nível, expandir a produção de etanol implica em encontrar soluções para a vinhaça. Neste estudo, o objetivo foi avaliar a aplicação da vinhaça como componente dos meios de cultivo para processos biotecnológicos de produção de L-treonina por E. coli THR14 utilizando glicose como fonte de carbono; e produção de PHB pelas linhagens: a halofílica Halomonas sp. HG03, com sacarose como fonte de carbono; e R. eutropha L359PCJ, que utilizou o glicerol da vinhaça como fonte de carbono. As linhagens foram avaliadas em cultivos em frascos agitados com diluições volumétricas de meio mineral em vinhaça. E. coli THR14 foi cultivada em 25% a 75% (v v-1) de vinhaça in natura. Tratamentos controle e à base de vinhaça tiveram fator de conversão de substrato em biomassa (YX/S) de 0,44 a 0,53 g gGLICOSE-1. As concentrações de biomassa e L-treonina não apresentaram diferença estatística entre o tratamento controle e meios com até 50% (v v-1) de vinhaça. No cultivo de Halomonas sp. HG03 e R. eutropha L359PCJ, meios de cultivo à base de vinhaça in natura e concentrada (ambas a 50% e 75% v v-1) tiveram efeito positivo sobre o crescimento celular e maiores concentrações de vinhaça no meio de cultivo favoreceram o crescimento celular em detrimento do acúmulo de PHB. Nos meios à base de vinhaça, Halomonas sp. HG03 atingiu teores de PHB de 19,6 75,2% e R. eutropha L359PCJ, de 48,4 68,5% e, com 50% (v v-1) de vinhaça concentrada, estas linhagens tiveram síntese de PHB com fatores de conversão de substrato em produto (YP/S), respectivamente, de 0,23 ± 0,02 g gSACAROSE-1 e 0,34 ± 0,03 g gGLICEROL-1. As linhagens produtoras de PHB foram em seguida cultivadas em biorreator em bateladas sucessivas com meios de cultivo à base de vinhaça concentrada (50% v v-1). R. eutropha L359PCJ atingiu teor de PHB de 66,3%, concentrações de biomassa residual (MSCr) = 9,4 g L-1 e PHB = 18,6 g L-1, com YX/S = 0,16 g gGLICEROL-1, YP/S = 0,32 g gGLICEROL-1 e produtividade de PHB de 0,25 g Lh-1. Halomonas sp. HG03 obteve resultados de teor de PHB de 45,7%, MSCr = 9,8 g L-1, PHB = 8,3 g L-1, YX/S = 0,18 g gSACAROSE-1, YP/S = 0,16 g gSACAROSE-1 e produtividade de PHB de 0,12 g Lh-1. Finalmente, o bioprocesso empregando a vinhaça para produção de PHB por R. eutropha L359PCJ foi analisado no \"software\" SuperPro Designer quanto à redução de custos. Obteve-se que 40,8% dos custos totais de produção foram associados a matérias-primas. O uso da vinhaça como fonte parcial da fonte de carbono e demais nutrientes de meio de cultivo significou uma redução de 13,1% destes custos de produção. O uso de meios de cultivo à base de vinhaça concentrada associado a melhorias de processo para produtividade de produto e maiores densidades celulares simulou processos com custos de produção unitária de US 3,57 5,37/kgPHB e tempos de \"payback\" de 2,5 4,4 anos.Vinasse has become an economical burden for many mills, and at some level expanding ethanol production has become linked to finding solutions for vinasse destination. In this study, the aim was to evaluate concentrated and in natura vinasse as components of culture media for biotechnological processes. Different bacteria and processes were assessed: L-threonine production by E. coli THR14, with glucose as carbon source; PHB production by halophilic strain Halomonas sp. HG03, with sucrose as carbon source; and PHB biosynthesis by R. eutropha L359PCJ by using glycerol from vinasse as carbon source. All strains were evaluated in shake flasks cultivations with vinasse-based culture media. E. coli THR14 was cultivated in mineral medium with volumetric dilutions of in natura vinasse (25% to 75%). Control and vinasse-based treatments had biomass yield from substrate (YX/S) between 0.44 and 0.53 g gGLUCOSE-1. Biomass and L-threonine concentrations had no statistical difference between control treatment and vinasse-based treatments with up to 50% (v v-1) vinasse. In Halomonas sp. HG03 and R. eutropha L359PCJ cultivations, vinasse-based culture media with both in natura (50% and 75% v v-1) and concentrated (50% and 75% v v-1) vinasses had positive effect on cellular growth and higher vinasse concentrations resulted in higher cellular growth rather than PHB accumulation. In vinasse-based culture media, Halomonas sp. HG03 had PHB content between 19.6 75.2% and R. eutropha L359PCJ, between 48.4 68.5%, and in culture media with 50% (v v-1) of concentrated vinasse these strains had, respectively, PHB biosynthesis with product yield from substrate (YP/S) of 0.23 ± 0.02 g gSUCROSE-1 and 0.34 ± 0.03 g gGLYCEROL-1. The PHB-producing strains were further cultivated in bioreactors in consecutive batches mode with concentrated vinasse-based culture media (50% v v-1). R. eutropha L359PCJ had PHB content of 66.3% and concentrations of residual cell dry weight (rCDW) of 9.4 g L-1 and PHB = 18.6 g L-1, with YX/S = 0.16 g gGLYCEROL-1, YP/S = 0.32 g gGLYCEROL-1 and PHB productivity of 0.25 g Lh-1. Halomonas sp. HG03 had PHB content of 45.7%, rCDW = 9.8 g L-1, PHB = 8.3 g L-1 and YX/S = 0.18 g gSUCROSE-1, YP/S = 0.16 g gSUCROSE-1 and PHB productivity of 0.12 g Lh-1. Finally, cost reductions in the bioprocess of PHB production by R. eutropha L359PCJ with concentrated-vinasse as a component of culture medium were evaluated by using SuperPro Designer software. Results showed that 40.8% of total production costs were related to raw materials. By using vinasse as a partial source of glycerol and other nutrients for PHB production by R. eutropha L359PCJ the total production costs became 13.1% lower. Simulated processes that used concentrated vinasse-based media combined with improvements of PHB productivity and higher cellular densities had unit production costs that ranged from US 3.57 5.37/kgPHB and 2.5 4.4 years of payback time

Anaerobic digestion of second generation vinasse for biogas production

A expansão do setor sucroenergético favoreceu o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração (2G). No entanto, este é um processo que leva à geração de altíssimos volumes de resíduos, bem como o processo de primeira geração (1G). O principal deles é a vinhaça, que também apresenta elevado potencial poluidor. Nesse contexto, vê-se, portanto, a necessidade de se dar uma finalidade adequada ao resíduo. A digestão anaeróbia se tornou uma tecnologia muito disseminada e valorizada em outros países. Isso se deve às vantagens em gestão de resíduos e na geração de energia proporcionadas por essa tecnologia. O potencial de aplicação da vinhaça para produção de biogás é enorme, dado que é um resíduo muito rico em matéria orgânica e de grande disponibilidade no Brasil. A digestão anaeróbia precisa também ser desenvolvida para o resíduo do processo de etanol 2G, pois espera-se que as características da vinhaça gerada sejam diferentes. É importante a investigação da influência que a composição da vinhaça 2G pode ter sobre o processo da digestão anaeróbia e produção de biogás, e este foi o principal objetivo deste trabalho. Para isso, realizou-se inicialmente a caracterização de vinhaça 1G e de vinhaça 2G obtidas para o experimento deste estudo. A composição das duas vinhaças apresentou as principais diferenças para as concentrações de DQO, ácidos orgânicos (sobretudo o ácido acético), compostos fenólicos e sulfato. Foram obtidas concentrações de DQO de 30.732,80 mg O2 L-1 e 19.038,13 mg O2 L-1 para vinhaça 1G e vinhaça 2G, respectivamente. As concentrações de ácido acético e compostos fenólicos totais foram, respectivamente, 88,14% e 84,10% maiores na vinhaça 2G do que na vinhaça 1G. A concentração de sulfato na vinhaça 2G foi 28,11% menor que a concentração obtida na vinhaça 1G. A avaliação de processo de produção de biogás foi realizada em dois reatores metanogênicos, um utilizando vinhaça 1G como substrato e outro, utilizando vinhaça 2G. Os processos foram monitorados segundo a produção de biogás por DQO removida, produção de ácidos orgânicos, alcalinidade, remoção de compostos fenólicos, remoção de ânions e retenção de sólidos. Os efluentes dos reatores metanogênicos também foram caracterizados segundo o teor de cátions. O processo com vinhaça 2G teve produção de biogás quatro vezes maior que o processo com vinhaça 1G. Foram obtidos valores médios de 0,32 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 2G e 0,08 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 1G. De acordo com o monitoramento dos processos por alcalinidade e concentração de ácidos orgânicos, o processo com vinhaça 2G também se mostrou mais eficiente do que o processo com vinhaça 1G no que diz respeito ao consumo de matéria orgânica. A remoção de compostos fenólicos totais teve eficiência média de 56,96% para o processo utilizando vinhaça 2G, enquanto que o processo com vinhaça 1G não foi capaz de removê-los. Infere-se que a elevada concentração de ácido acético na vinhaça 2G tenha contribuído para o processo de produção de biogás. A alta disponibilidade de acetato favorece a atividade metabólica de arqueas metanogênicas, o que é fundamental para o equilíbrio químico da conversão de matéria orgânica em biogás.The Sucroenergetic sector expansion has favored the development of second generation ethanol technology. However, the process leads to the production of large amounts of residues, as well as the first generation process. The main residue is the vinasse, which is very pollutant. In this context it becomes clear the need of giving an appropriate application for vinasse. Anaerobic digestion has turned into a very disseminated and very well accepted technology in many countries, which is mainly due to its results as an efficient waste management and energy generation. Vinasse has a great potential for biogas production through anaerobic digestion, since it is a residue with high organic matter and in large availability in Brazil. Such technology has to be developed also for the residues obtained through second generation ethanol process. With a different process, it is expected that residues composition might also be different. It is important to look into the influence that second generation vinasse composition may bring to anaerobic digestion. The purpose of this study was to investigate the effects of second generations vinasse composition over the biogas production process. Before experiments, first and second generation vinasses were characterized. The most remarkable differences for vinasses composition were obtained for COD concentration, organic acids concentration (specially for acetic acid), phenolic compounds and sulphate. COD concentrations were 30,732.80 mg O2 L-1 and 19,038.13 mg O2 L-1 for first generation vinasse and second generation vinasse, respectively. Acetic acid and total phenolic compounds were, respectively, 88.14% and 84.10% higher for second generation vinasse than those found for first generation vinasse. Sulphate concentration for second generation vinasse was 28.11% lower than first generation vinasse\'s concentration. Biogas production process was evaluated for two different methanogenic reactors: first generation vinasse was used as substrate for one reactor and second generation vinasse was used as substrate for the second one. Processes were monitored according to biogas production by removed COD, organic acids production, alkalinity, phenolic compounds removal, anions removal and solids retention. Both reactors had their effluents characterized by cations content. In the process carried out with second generation vinasse the biogas production was four times higher than in the process carried out with first generation vinasse. The average values were 0.08 Lbiogas CODremoved-1 and 0.32 Lbiogas CODremoved-1 for first and second generation, respectively. Considering processes monitoring by alkalinity and organic acids concentrations, the process carried out with second generation vinasse was more efficient in regards to organic matter consumption. The average efficiency for total phenolic compounds removal was 56.96% for the process using second generation as substrate. On the other hand, the process with first generation vinasse was not capable of consuming them. The results obtained in this study suggest that the high acetic acid concentration in second generation vinasse have contributed to biogas production. High acetate availability promotes archaeas metabolic activity, which is fundamental for chemical balance in converting organic matter into biogas

Preliminary Characterization of Mitochondrial Genome of Melipona scutellaris, a Brazilian Stingless Bee

Bees are manufacturers of relevant economical products and have a pollinator role fundamental to ecosystems. Traditionally, studies focused on the genus Melipona have been mostly based on behavioral, and social organization and ecological aspects. Only recently the evolutionary history of this genus has been assessed using molecular markers, including mitochondrial genes. Even though these studies have shed light on the evolutionary history of the Melipona genus, a more accurate picture may emerge when full nuclear and mitochondrial genomes of Melipona species become available. Here we present the assembly, annotation, and characterization of a draft mitochondrial genome of the Brazilian stingless bee Melipona scutellaris using Melipona bicolor as a reference organism. Using Illumina MiSeq data, we achieved the annotation of all protein coding genes, as well as the genes for the two ribosomal subunits (16S and 12S) and transfer RNA genes as well. Using the COI sequence as a DNA barcode, we found that M. cramptoni is the closest species to M. scutellaris