Otimização da produção de D(-) ácido lático por Sporolactobacillus nakayamae e Lactobacillus delbrueckii utilizando subprodutos agro-industriais
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Data
2016-09-30
Autores
Beitel, Susan Michelz [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
O ácido lático tem sido alvo de ampla investigação devido a sua ampla possibilidade de aplicações, despertando interesse em vários setores biotecnológicos e industriais. Pode ser obtido através de via química ou fermentativa; a vantagem da produção por fermentação é a obtenção de isômeros opticamente puros. Um dos principais interesses é reduzir os custos de produção, assim como desenvolver processos que não gerem resíduos. Os substratos utilizados na fermentação e a etapa de purificação do ácido lático são os principais responsáveis pelo custo do processo. Para tanto, o objetivo do atual estudo foi selecionar substratos disponibilizados por baixo custo, assim como estudar as melhores condições de fermentação que propiciem uma eficiente produção de D(-) ácido lático por cepas selvagens de Sporolactobacillus nakayamae e Lactobacillus delbrueckii. Os componentes dos meios de cultivo, assim como suas respectivas concentrações foram selecionados a partir de planejamentos experimentais. Por sua vez, foi avaliada a influência de diferentes agentes neutralizadores de pH na fermentação. Também foram estudados os parâmetros fermentativos como pH, temperatura, agitações e proporções de inóculo. A fim de elevar os níveis de produção e produtividade, foram estudadas diferentes estratégias de bateladas alimentadas. Foi desenvolvido um processo de purificação utilizando recursos de baixo custo. A partir do meio de cultivo composto de açúcar cristal, farinha de amendoim e Tween 80, S. nakayamae foi capaz de produzir 112,93 g/L de D(-) ácido lático. A purificação e recuperação do ácido lático foram realizadas por filtração do meio fermentado em carvão e celite, em seguida passado por resina de troca catiônica. Essa técnica revelou-se eficiente na remoção de açúcares e proteínas assim como na recuperação do ácido lático. Ainda utilizando S. nakayamae outro meio de cultivo foi estudado, a partir da mesma fonte de carbono, porém usando extrato de levedura (subproduto da produção de etanol) como fonte de nitrogênio e adicionado de alguns sais. Após estudar as melhores condições de cultivo em biorreator (pH 6.0, 35 ºC, 20% de volume de inóculo e 125 rpm), alcançou-se uma produção de 122,41 g/L de ácido lático e produtividade de 3,65 g/L.h por fermentação em batelada alimentada multi pulsos, em 54 horas. O agente controlador de pH selecionado foi NaOH, que colabora evitando a geração de resíduos durante a purificação. A produção de D(-) ácido lático foi estudada por um segundo micro-organismo (L. delbrueckii), desenvolvendo-se um processo fermentativo eficiente, de baixo custo, a partir do qual os mais altos níveis de produção (162 g/L) foram alcançados. O meio de fermentação foi composto de melaço de cana-de açúcar, água de maceração de milho e alguns sais, tais resíduos foram utilizados sem necessidade de hidrólise. A fermentação foi conduzida por 48 horas em batelada alimentada multi pulsos a 39 ºC, 150 rpm, 25% de inóculo, pH 5.5, controlado por Ca(OH)2 que, além de ser economicamente viável, apresenta a vantagem de não aumentar drasticamente a pressão osmótica do meio de cultivo. A produção de D(-) ácido lático de elevada pureza óptica a partir dos resíduos agro-industriais utilizados, é uma alternativa econômica para o processo em escala industrial.
Lactic acid has been extensive studied due its wide range of applications, receiving more attention in several industrial and biotechnological fields. This molecule can be obtained by chemical or fermentative pathways; only by fermentation the optically pure isomers could be achieved. Reduce the fermentation cost as well residues generate is a real need. The substrates used in fermentation and the purification step are the mainly responsible for the costs of the process. Therefore, the aims of this study were selected affordable substrates and study the fermentation conditions to improve D(-) lactic acid production by wild strains of Lactobacillus delbrueckii and Sporolactobacillus nakayamae. In order to evaluate the components media and its ideal concentration, experimental designs were applied. The influence of temperature, pH, inoculum percentage, agitation conditions and pH controlling agents were also verified. Moreover fed-batch feeding strategies were studied in order to increase production and productivity levels of D(-) lactic acid. A purification technic based in low-cost material was developed. D(-) lactic acid concentration of 112.93 g/L was obtained using commercial sucrose, peanut flour, and Tween 80 by S. nakayamae. The purification and recovery of D(-) lactic acid from this fermentation medium were performed using filtration on activated carbon, followed by celite and cation resin exchange. This approach showed a high efficiency in protein and sugar removal as well in D(-) lactic acid recovery from the fermentation medium. Other culture media was developed using S. nakayamae, achieving 122.41 g/L of D(-) lactic acid and 3.65 g/L.h of productivity by multi-pulse fed-batch fermentation at 54 h, using initial media containing yeast extract (byproduct of alcohol production), crystallized sugar and salts. The best parameters fermentation setting to this process were pH 6.0, 35 °C, 20% inoculum and 125 rpm. The pH agent controller selected was NaOH, which is interesting to avoid future waste generation on purification step. The production from other microorganism (L.delbrueckii) was studied, describing an efficient and very low cost process, using molasses and corn step liquor as substrate. A maximum D(-) lactic acid concentration of 162 g/liter was achieved at 48 hours of fermentation, the productivity at this point is 3.37 g/L.h. It was found that the optimal conditions to run this process were 39 ºC, 150 rpm, 25% size of inoculum (v/v) and pH 5.5 controlled by addition of Ca(OH)2, which provides economy to process and prevent cell stress that could be caused by high osmotic pressure of the culture media. The production of D (-) lactic acid of high optical purity from agro-industrial wastes is an economical alternative process at industrial scale.
Lactic acid has been extensive studied due its wide range of applications, receiving more attention in several industrial and biotechnological fields. This molecule can be obtained by chemical or fermentative pathways; only by fermentation the optically pure isomers could be achieved. Reduce the fermentation cost as well residues generate is a real need. The substrates used in fermentation and the purification step are the mainly responsible for the costs of the process. Therefore, the aims of this study were selected affordable substrates and study the fermentation conditions to improve D(-) lactic acid production by wild strains of Lactobacillus delbrueckii and Sporolactobacillus nakayamae. In order to evaluate the components media and its ideal concentration, experimental designs were applied. The influence of temperature, pH, inoculum percentage, agitation conditions and pH controlling agents were also verified. Moreover fed-batch feeding strategies were studied in order to increase production and productivity levels of D(-) lactic acid. A purification technic based in low-cost material was developed. D(-) lactic acid concentration of 112.93 g/L was obtained using commercial sucrose, peanut flour, and Tween 80 by S. nakayamae. The purification and recovery of D(-) lactic acid from this fermentation medium were performed using filtration on activated carbon, followed by celite and cation resin exchange. This approach showed a high efficiency in protein and sugar removal as well in D(-) lactic acid recovery from the fermentation medium. Other culture media was developed using S. nakayamae, achieving 122.41 g/L of D(-) lactic acid and 3.65 g/L.h of productivity by multi-pulse fed-batch fermentation at 54 h, using initial media containing yeast extract (byproduct of alcohol production), crystallized sugar and salts. The best parameters fermentation setting to this process were pH 6.0, 35 °C, 20% inoculum and 125 rpm. The pH agent controller selected was NaOH, which is interesting to avoid future waste generation on purification step. The production from other microorganism (L.delbrueckii) was studied, describing an efficient and very low cost process, using molasses and corn step liquor as substrate. A maximum D(-) lactic acid concentration of 162 g/liter was achieved at 48 hours of fermentation, the productivity at this point is 3.37 g/L.h. It was found that the optimal conditions to run this process were 39 ºC, 150 rpm, 25% size of inoculum (v/v) and pH 5.5 controlled by addition of Ca(OH)2, which provides economy to process and prevent cell stress that could be caused by high osmotic pressure of the culture media. The production of D (-) lactic acid of high optical purity from agro-industrial wastes is an economical alternative process at industrial scale.
Descrição
Palavras-chave
D(-) ácido lático, Delineamento experimental, Fermentação, Batelada alimentada, D(-) lactic acid, Experimental design, Fermentation, Fed-batch fermentation, Sporolactobacillus nakayamae, Lactobacillus delbrueckii