Algae to yeast biorefinery system: closing the nutrient cycle for a sustainable production of mannosylerythritol lipids (MELs) and organic acids from waste streams

Miguel Figueiredo Nascimento

Key information

Authors:

Miguel Figueiredo Nascimento (Miguel Figueiredo Nascimento)

Supervisors:

Frederico Castelo Alves Ferreira (Frederico Castelo Alves Ferreira); Nuno Ricardo Torres Faria (Nuno Ricardo Torres Faria); Roland Müller

Published in

03/19/2025

Abstract

Os lípidos de manosileritritol (MELs) são glicolipídicos produzidos por leveduras do género Moesziomyces, que se apresentam como uma alternativa promissora aos tensioativos químicos. Os MELs podem ser produzidos partindo de fontes de carbono hidrofílicas (ex. açúcares, glycerol) e hidrofóbicas (ex. óleos vegetais, alcanos). Apresentam propriedades bioquímicas relevantes, como biocompatibilidade ou biodegradabilidade, mas a produção de MELs precisa de ser economicamente viável para que estes sejam competitivos no mercado. Esta tese visou desenvolver novas soluções inovadoras para otimizar o bioprocesso de produção de MELs, tendo em atenção as emissões de CO2. Encontra-se dividida em três seções: 1) Produção de MELs a partir de diferenres substratos; ,2) Intensificação e integração de bioprocessos MELs; e 3) Utilização de microalgas e leveduras em co-cultivação para produção de MELs e ácidos orgânicos. O estudo da combinação de substratos (glucose e óleos vegetais) indicou elevados rendimentos e purezas de MELs, sendo estabelecida como estratégia base de produção. Diferentes resíduos agroindustriais, como soro de queijo e óleo de bagaço de azeite, foram testados. O primeiro foi utilizado como fonte de carbono, permitindo a substituição integral do meio de cultura, sem afetar a produtividade final. O segundo, foi usado em substituição de óleos vegetais ou residuais de fritura, resultando na produtividade mais elevada obtida nesta tese. Foi ainda proposta o uso de nanofiltração para purificat MELs, com perdas mínimas de produto. Finalmente, o bioprocesso MELs foi modelado, permitindo um estudo económico com identificação dos principais pontos críticos. Na última secção foi investigada a co-cultivação entre microalgas e leveduras para diminuição das emissões de CO2. A produção de ácido cítrico foi usada como caso de estudo para, identificar os principais parâmetros para obter uma co-cultivação de sucesso. Além disso, foi testado a produção de MELs usando lípidos de microalgas oleaginosas como fonte de carbono. Mannosylerythritol lipids (MELs) are a class of glycolipid biosurfactants mainly produced by yeasts of the Moesziomyces genus,that present a promising alternative to chemically synthetised surfactants. MELs can be produced from a range of different substrates, including n-alkanes, hydrophilic (e.g. sugars) and hydrophobic carbon sources (e.g. vegetable oils). MELs have unique tensioactive properties, biocompatibility, and biodegradability, which make them one of the most promising microbial biosurfactants. However, MELs’ market competitiveness requires their cost reduction. This thesis aims to develop new innovative solutions to enhance and optimise MELs bioprocess, while addressing the issue of CO2 emissions. Therefore, this thesis is dived into three main sections: 1,1MELs production from different substrates, 2) Intensification and integrations of MELs bioprocess; and 3) Use of microalgae and yeast in co-cultivation for production of MELs and organic acids. Firstly, it was discovered that the combination of co-substrates (glucose and vegetable oils), leads to high MELs titres and purities, establishing the main condition for their production. Secondly, different industrial side-streams (Cheese-whey and pomace oil) were tested, revealing that cheese-whey can be used as carbon source and replacement of culture medium, without affecting final productivity. Using pomace oil as a replacement of waste frying oils, led to the highest productivity obtained in this thesis. Furthermore, a novel downstream route was proposed to obtain high MELs purities, with possibility of solvent recycling and minimal product losses. Finally, MELs bioprocess was modelled, performing and economic study and identifying main bottlenecks. Moreover, it was also accessed the use of co-cultivation between microalgae and yeasts for decreasing of CO2 emissions. A case study, was developed to produce citric acid to identify the main parameters required for successful co-cultivation, a knowledge transposable to cocultivation bioprocesses for MELs production. Additionally, MELs were formed using lipids previously produced my oleaginous microalgae.