Produção de PHB por Cupriavidus necator recombinante em glicerina e vinhaça

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2018.

Os poli-hidroxialcanoatos (PHA), com destaque para o poli-hidroxibutirato (PHB), são biopolímeros biodegradáveis produzidos intracelularmente por diversos microrganismos. A bactéria Cupriavidus necator é potencial produtora de PHB, com capacidade de acumular até 90% de sua massa seca em biopolímero. Na tentativa de reduzir os custos do processo de produção de PHB, vários subprodutos agroindustriais podem ser utilizados como substratos desse bioprocesso. Na produção de biocombustíveis, dois subprodutos se destacam: a glicerina e a vinhaça, respectivamente, gerados pelas indústrias de biodiesel e de bioetanol. Esses subprodutos podem ser utilizados como substrato por microrganismos, inclusive por C. necator. O baixo teor de carbono de alguns subprodutos faz com que estratégias de cultivo sejam avaliadas, quando pretende-se produzir PHB. O objetivo deste trabalho foi estudar o crescimento e a produção de PHB por C. necator recombinante, com glicerina e vinhaça como substratos. Duas estratégias de cultivo foram avaliadas: batelada e batelada alimentada, incluindo a combinação de substratos (vinhaça e glicerina). Os resultados demonstraram que o crescimento de C. necator não foi afetado pelas possíveis impurezas presentes nas glicerinas (refinada e bruta) e na vinhaça. Nas glicerinas, C. necator foi capaz de crescer com µmax de 0,10 h-1, enquanto que, em vinhaça com µmax de 0,29 h-1. A produção de PHB por C. necator recombinante em batelada foi observada nas duas glicerinas em estudo. As produções finais de PHB foram de 31% e 50% com glicerina refinada e bruta, respectivamente. Os cultivos em batelada alimentada com glicerina refinada e glicerina bruta obtiveram produtividade de 0,15 gPHB/L.h, com acúmulo de 52% e 43% de PHB, respectivamente. Quando vinhaça foi utilizada como único substrato, a produção de PHB foi menor que 1 gPHB/L, provavelmente devido à baixa quantidade de carbono presente neste substrato. No entanto, a combinação de substratos (vinhaça e glicerina bruta) foi satisfatória, com esta estratégia, µmax de C. necator foi de 0,29 h-1 com acúmulo de PHB de 64% e produtividade de 0,22 gPHB/L.h. Assim, é possível afirmar que C. necator recombinante é capaz de crescer e produzir PHB nos principais subprodutos da indústria de biocombustíveis. O cultivo em batelada alimentada, em vinhaça combinada à glicerina bruta, apresenta melhor desempenho quanto à produtividade e acúmulo de PHB, dentre as condições estudadas.

Abstract : Poly-hydroxyalkanoates (PHA), highlighting the poly-hydroxybutyrate (PHB), are biopolymers biodegradable and produced intracellularly by several microorganisms. The bacteria Cupriavidus necator is a potential PHB producer, with the capacity to accumulate up to 90% of its dry mass in biopolymer. Aiming to reduce the costs of the PHB production process, several agroindustry byproducts are being used as carbon source in this bioprocess. The production of biofuels brings forth two main byproducts: glycerin and vinasse, respectively, generated by the biodiesel and bioethanol industries. These byproducts can be used as carbon source by microorganisms, including by C. necator. The low carbon content present in some byproducts motivates the study of different cultivation strategies, when the goal is PHB production. The aim of this work was to study the growth and PHB production by recombinant C. necator, using glycerin and vinasse as substrates. Two cultivation strategies were used to increase productivity of the biopolymer: batch and fed-batch; including the combination of substrates (vinasse and glycerin). The results show that C. necator_glpFK growth wasn't inhibited by the possible impurities present in the glycerin (refined or crude). In glycerin, C. necator was able to growth with µmax 0.10 h-1, while, in vinasse with µmax 0.29 h-1. The production of PHB by recombinant C. necator in batch was observed in the two glycerin evaluated. The final PHB productions were 31% and 50% with refined and crude glycerin, respectively. The fed-batch cultures in refined and crude glycerin presented a volumetric productivity of 0.15 gPHB/L.h, with a PHB production of 52% and 43%, respectively. When vinasse was used, the PHB production was less than 1 gPHB/L, probably due to its low carbon content. However, the combination of substrates (vinasse and crude glycerin) was satisfactory. Under its condition, µmax of C. necator was 0.29 h-1 with PHB production of 64% and productivity of 0.22 gPHB/L.h. Thus, it is possible to say that recombinant C. necator is capable to growth and produce PHB using biofuels byproducts. The cultivation performed on fed-batch, using vinasse plus crude glycerin, presented the best productivity and accumulation of PHB, among the studied conditions.