Production of first - and second-generation bioethanol by yeasts: global warming potential and fermentation productivity issues

04/15/2020

In the transition to low-carbon economies, bioethanol appears as an interesting alternative to fossil fuels. Bioethanol production can use first-generation biomass, but this implies a competition with food crops, besides being water- and land-intensive, and using fertilizers; second-generation biomass takes advantage of agriculture wastes and other residues. Nevertheless, there is a need for pre-treatments to release fermentable sugars, but these can also release inhibitory compounds. As fermentation is an exothermic process, temperature must be considered in the design and installation of industrial bioethanol processes, considering the optimal temperature ranges for yeast activity. Also, the evaluation of these processes, from laboratory- to industrial-scale, considering energy consumption and greenhouse gases emissions is essential, from a perspective of sustainability evaluation. A review of the ethanol production panorama is presented, highlighting the importance of the conjugation of first- and second-generation biorefineries. Additionally, it is shown an evaluation of the sustainability of Jerusalem artichoke as an energy crop. The Global Warming Potential (expressed in CO2eq) of this case-study is studied, considering variations in Life Cycle Assessment (LCA) methodology hypothesis, and their impacts on the results. It was found that fermentation of Jerusalem artichoke juice can be a competitive type of ethanol production, but which the environmental impacts of the processes, related to greenhouse gases emissions varies depending on the considered factors in the analysis. This influence on LCA in the results raises the need for more integrative studies, in the establishment of industrial production chains, envisaging more informed decision processes. Limiting factors of 1G and 2G fermentation productivity were examined by comparing the alcoholic fermentation profiles of different strains of Saccharomyces cerevisiae (or derived from this species), at different temperatures (30 ºC, 35 ºC, and 40 ºC) and/or sugar concentrations (glucose and/or xylose). The influence of the mutated HAA1* gene in the tolerance to high temperatures was also tested in an industrial yeast strain, assessing variations in the yeast growth and ethanol productivity, when compared with the strain without the referred gene. Na transição para economias de baixo carbono, o bioetanol apresenta-se como uma alternativa aos combustíveis fósseis. A produção de bioetanol pode usar biomassa de primeira-geração (1G), mas isso implica competição com cultivos alimentares, além de requererem grandes áreas, quantidades de água, e fertilizantes; biomassa de segunda geração (2G) aproveitando desperdícios agrícolas e outros resíduos. Contudo, há uma necessidade de pré-tratamentos para a libertação de açúcares fermentáveis, mas estes tratamentos podem também libertar compostos inibidores. Sendo a fermentação um processo exotérmico, a temperatura também deve ser considerada no desenho e instalação de processos industriais de produção de bioetanol, considerando a gama de temperaturas óptimas para actividade da levedura. Adicionalmente, a avaliação destes processos, do laboratório para escala industrial, considerando consumo de energia e emissão de gases com efeito de estufa é essencial, numa perspectiva de avaliação de sustentabilidade. É apresentada uma revisão sobre o panorama de produção de etanol de cana de açúcar, no Brasil, realçando-se a importância da conjugação de biorrefinarias 1G e 2G. Além disso, mostra-se uma avaliação da sustentabilidade do tupinambo como produto agrícola para energia, em termos do Potencial de Aquecimento Global (expresso em CO2eq), considerando variações em hipóteses assumidas na metodologia de Análise de Ciclo de Vida (LCA), e os seus impactos na variação dos resultados. Verificou-se que a fermentação de sumo de tupinambo pode ser uma forma de produção de etanol competitiva, mas cujo impacto ambiental ao nível de emissões de CO2eq é dependente dos factores considerados na análise. Esta influência nos resultados de LCA apresenta uma necessidade de mais estudos integrativos, no estabelecimento de cadeias de produção industriais, com vista a processos de decisão mais informados. De modo a analisar factores limitantes da produtividade de fermentações 1G e 2G, foram comparados os perfis de fermentação alcoólica por estirpes de Saccharomyces cerevisiae (ou derivadas desta espécie), a diferentes temperaturas (30 ºC, 35 ºC e 40 ºC) e/ou concentrações de açúcares (glucose e/ou xilose). A influência do gene mutado HAA1* na tolerância a temperaturas elevadas foi também testada numa estirpe industrial de levedura, analisando-se variações no crescimento e produtividade de etanol, em comparação com a estirpe sem o referido gene.

Authors in the community:

• 

  R

  Rui Cruz Pacheco

  ist426250

Supervisors of this institution:

• 

  C

  Carla Alexandra Monteiro da Silva

  ist142865

101494688

Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

biological-sciences - Biological sciences

Keywords

• biogenic emissions
• direct land-use change
• dynamic Life Cycle Assessment
• temperature
• glucose/xylose
• emissões biogénicas
• alteração do uso de solo
• Análise de Ciclo de Vida dinâmica
• temperatura

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