do polímero ao biopolímero. produção de biopolímeros a

DO POLÍMERO AO BIOPOLÍMERO.
PRODUÇÃO DE BIOPOLÍMEROS A PARTIR DE
SUBPRODUTOS DA INDÚSTRIA DE POLÍMERO.
Leandro Finkler, Tito L. M. Alves, José Carlos Pinto
Programa de Engenharia Química / COPPE – Universidade Federal do Rio de Janeiro – Cidade Universitária – CP:
68502 – Rio de Janeiro 21945-970 RJ Brasil- [email protected]
Biopolymer from polymer.
Biopolymer production from by-products of the polymer industry.
The main objective of this work is to use acrylic acid as the carbon source for production of polyhydroxyalkanoates
(PHA) by Curpiavidus necator DSM 545 in batch fermentation reactors and resting cells systems. Different operation
strategies are developed to allow for PHA production, including the implementation of feed policies and the rigorous
control of the pH. Particularly, the use of by-products of the polymerization processes can lead to significant reduction
of the costs of the PHA production.
Introdução
Desenvolver estratégias de produção que consigam
diminuir os custos finais dos polihidroxialcanoatos
(PHAs) no mercado ainda é um desafio a ser
enfrentado, haja visto o custo de produção muito
menor dos tradicionais polímeros de síntese química
(Byrom, 1987). Diferentes são as direções de pesquisa
para alcançar tal objetivo. Dentre as possíveis
alternativas estão a adoção de um sistema que permita
alta conversão de substrato em produto, alcançando-se
dessa forma maior produtividade, como no caso da
produção de polihidroxialcanoatos em condições de
alta densidade celular. Estratégias de alimentação de
nutrientes também podem ser utilizadas para garantir
uma eficiente conversão do substrato em produto, bem
como para atribuir qualidade ao biopolímero
sintetizado. Um exemplo típico é a implementação de
estratégias de alimentação para o controle do pH do
meio de cultura. Como o principal custo da produção
de PHAs é o da fonte de carbono utilizada para a
bioconversão em biopolímero, encontrar fontes
alternativas de carbono é sempre uma estratégia a ser
considerada. Sob esta perspectiva, o presente trabalho
tem por objetivo utilizar o ácido acrílico, ao mesmo
tempo um insumo e um rejeito da indústria de
polímeros, como fonte de carbono para biossíntese de
PHAs em dois diferentes processos: reatores de
fermentação em batelada e sistemas do tipo resting
cells.
Experimental
Microorganismo
Cupriavidus necator DSM 545, reclassificação de
Ralstonia eutropha DSM 545 (Vandame and Coenye,
2004), obtido junto à Deutsche Sammlung von
Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) foi usada.
Esta cultura foi mantida em agar nutriente a 4 oC.
Meios de cultura
Agar Nutriente (NA) (g/L): extrato de carne, 3.0; peptona
de carne, 5.0 e agar, 15.0 foi usado para manutenção da
cultura.
Caldo Nutriente (NB) (g/L): extrato de carne, 3.0 e
peptone de carne, 5.0.
Meio Mineral (MM) (g/L) (Ramsay et al., 1990, Aragão et
al., 1996) : Solução 1 (g/L): Citrato Férrico de Amônia,
0,06; MgSO4. 7H2O, 0,5; CaCl2.2H2O, 0,01; Solução 2
(g/L): Na2HPO4, 0,51; KH2PO4, 0,07; Solução 3 (g/L):
H3BO3, 0,3; CoCl2.6H2O, 0,2; ZnSO4.7H2O, 0,1;
MnCl2.4H2O, 0,03; Na2MoO4.2H2O, 0,03; NiCl2.6H2O,
0,02; CuSO4.5H2O, 0,01. Solução 4 (g/L): Ácido acrílico
cuja concentração depende do ensaio a ser realizado. As
soluções foram esterilizadas separadamente, a fim de
evitar precipitação dos sais.
Condições de cultura.
As células bacterianas foram cultivadas em dois sistemas:
I. Crescimento em caldo nutriente (NB). Inóculo de
células de Cupriavidus necator DSM 545, correspondendo
a 1% (v/v) do volume de meio NB no biorreator, foi
utilizado para o ensaio realizado a temperatura de 30 oC
sob agitação de 300 rpm e aeração de 0,125 vvm, sendo o
valor de pH 7,0 controlado pela adição de solução de ácido
acrílico.
II. Crescimento em meio mineral (MM). Células obtidas a
partir do crescimento em meio caldo nutriente foram
concentradas por centrifugação (10000 rpm) e
ressuspensas em 100 mL de meio mineral em um bioreator
para o ensaio a temperatura de 30oC sob agitação
magnética e aeração superficial, sendo o valor de pH 7,0
controlado pela adição de pulsos solução de ácido acrílico.
.
Métodos analíticos.
O monitoramento da cultura foi realizado por
espectrofotometria (600 nm), para acompanhar o
crescimento celular, e por potenciometria, para avaliar a
variação dos valores de pH. A massa celular foi
quantificada por gravimetria e a concentração de
1294
biopolímero (método da metanólise (Brandl et al.,
1988)) e de ácido acrílico (método de injeção direta)
por cromatografia gasosa.
Resultados e Discussão
.
pelas células. Sendo a concentração celular do sistema
igual a 12 g/L, foi verificada a possibilidade de dinamizar
o consumo de ácido acrílico para uma taxa de 68 mg/L.h.
Para este sistema será possível adotar uma estratégia de
adição de ácido acrílico para controle da variação do pH
do meio.
0,7
0,6
0,12
Ácido Acrílico
(g/L)
P(3HB)
(g/L)
0,18
0,06
0,4
0,3
0,2
0,1
0,4
0,0
0,2
8,0
0,0
2,0
7,8
1,5
7,4
7,6
pH
X
(g/L)
Ac Acrilico
(g/L)
0,00
0,6
0,5
1,0
7,2
7,0
0,5
6,8
0,0
0
5
10
15
20
25
6,6
30
0
Tempo (h)
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20
Tempo (h)
Figura 1. Perfis de variação das concentrações de P(3HB), ácido
acrílico e biomassa em sistema de crescimento celular de
Cupriavidus necator DSM 545 em meio caldo nutriente em
biorreator à temperatura de 30 oC sob agitação de 300 rpm e aeração
de 0,125 vvm e pH 7,0 controlado pela adição de solução de ácido
acrílico.
Na Figura 1 estão apresentados os perfis que
demonstram as variações observadas para as variáveis
poli-3-hidroxibutirato P(3HB), ácido acrílico e
biomassa (X) durante o cultivo de células de
Cupriavidus necator DSM 545 em meio caldo
nutriente. A estratégia adotada nesse cultivo foi
controlar o pH pela adição de ácido acrílico. Foi
observado que a concentração de ácido acrílico
aumenta até 9 horas de cultivo e em seguida diminui.
No mesmo instante em que começa a ser consumido
pelas células, também é observado o início da
biossíntese do biopolímero P(3HB). Considerando
apenas o consumo do ácido acrílico acumulado (0,47
g/L), verifica-se que as taxas de conversão de substrato
em produto (Yp/s) e de substrato em biomassa (Yx/s)
foram, respectivamente, 0,34 e 0,55 a uma taxa de
consumo de ácido acrílico igual a 25 mg/L.h.
Na Figura 2 estão apresentados os perfis que
demonstram as variações observadas para as variáveis
ácido acrílico e pH durante o cultivo de células de
Cupriavidus necator DSM 545 em sistema resting cells
contendo em meio mineral isento de fonte de
nitrogênio. Neste cultivo foi possível verificar que os
valores de pH aumentam enquanto a concentração de
ácido acrílico diminui, em função de seu consumo
Figura 2. Perfis de variação da concentração de ácido acrílico e dos
valores de pH em sistema resting cell para Cupriavidus necator DSM
545. em biorreator à temperatura de 30 oC sob agitação magnética e
aeração superficial e pH 7,0 controlado pela adição de pulsos de solução
de ácido acrílico.
Conclusões
O ácido acrílico serve para ser empregado no controle de
pH do meio de cultura tanto em condição de crescimento
celular quanto em sistema resting cells e, além disso, é
assimilado pelas células de Cupriavidus necator DSM 545
demonstrando ser uma fonte potencial de carbono para a
obtenção de P(3HB).
Agradecimentos
CNPq.
Referências Bibliográficas
1.
2.
3.
4.
5.
D. Byrom. Polymer synthesis by microorganisms:
technology and economies, Trends in Biotechnology, 1987,
5, 246.
P. Vandame, T. Coenye; International Journal of
Systematic Evolutionary Microbiology, 2004, 54, 2285.
H. Brandl, R. A. Gross, R. W. Lenz, R. C. Fuller; Applied
and Environmental Microbiology, 1988, 54, 1977.
B.A. Ramsay, K. Lomaliza, C. Chavarie, B. Dube, P.
Bataille,
J.A.
Ramsay,
Applied
Environmental
Microbiology, 1990, 56, 2093.
G.M.F. Aragão, N.D. Lindley, J.L. Uribelarrea, A.
Pareilleux, Biotechnology Letters, 1996, 18, 937.
Anais do 8o Congresso Brasileiro de Polímeros
1295