Produção de Poli(3-hidroxibutirato) por Cupriavidus necator DSM 545 em meio suplementado com óleo de soja miniemulsionado

Abstract

Poli(3-hidroxibutirato) P(3HB) é um produto intracelular produzido por inúmeros micro-organismos, como reserva energética. Cupriavidus necator é a bactéria mais estudada para a produção deste polímero devido à sua capacidade de acumular até 80 % de sua massa seca em P(3HB). Devido aos altos custos de produção, melhorias no processo produtivo são necessárias para que este polímero seja comercialmente competitivo. Estudos já mostraram que a utilização de suplementos ou indutores da produção de P(3HB), como os óleos vegetais, é uma alternativa interessante para aumento de produtividade em polímero.Diversos óleos vegetais in natura já foram testados e apresentaram bons resultados, porém uma alternativa que pode potencializar estes resultados é a suplementação do meio com óleos miniemulsionados, que apresentam maior área de contato entre o óleo e a água. Neste contexto, o presente trabalho objetivou comparar o efeito da suplementação do meio de cultivo com óleo de soja in natura e miniemulsionado, com lecitina de soja, na produção de P(3HB) por C. necator. Os resultados mostraram que a concentração equivalente a 0,3 g.L-1 de ácido oléico promoveu maior aumento de produtividade de polímero do que a concentração equivalente a 0,6 g.L-1. O momento para a suplementação do meio de cultivo foi determinado a partir da análise de atividade enzimática, que mostrou que a adição do suplemento deve ser realizada quando a concentração de nitrogênio no meio é igual a 0,4 g.L-1, pois adicionando o suplemento neste momento, a atividade enzimática alcança valores máximos. Nos cultivos em biorreator, houve aumento de produtividade em ambos os cultivos suplementados, sendo que para a suplementação com o óleo in natura o aumento foi de 0,23 g.h-1, e para a miniemulsão foi de 0,29 g.h-1, ou seja, a miniemulsão não proporcionou melhores resultados. Este comportamento ocorreu provavelmente pelo fato de que a estabilidade das partículas de óleo na miniemulsão dificultaram o consumo deste substrato pelo microorganismo. Os dados de transferência de oxigênio mostraram um comportamento análogo, para os cultivos controle e suplementados com óleo de soja in natura e miniemulsionado, entre a velocidade de respiração microbiana (QO2X) e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLa). Primeiramente houve um crescimento em ambas as curvas até o início da fase estacionária de crescimento microbiano e posteriormente as curvas decresceram, pois o oxigênio é utilizado em sua maioria, para a manutenção celular, uma vez que o crescimento microbiano é mínimo nesta etapa. O modelo de Zabriskie e Humphrey (1978) pode ser utilizado como uma ferramenta na predição da biomassa celular ao longo do cultivo. O modelo se ajustou bem aos dados experimentais quando o fator de conversão (YX/O) e a velocidade específica de consumo de oxigênio dissolvido para manutenção celular (mo) foram calculados em duas fases distintas, uma de crescimento e outra de produção. No caso do cultivo considerado inteiro os valores de MSE, para os ajustes do modelo aos dados experimentais, dos cultivos controle e suplementados com óleo de soja in natura e miniemulsionado foram respectivamente de 1,41, 6,54 e 5,95, enquanto os valores para o cultivo considerado em duas fases distintas foram de 2,14, 0,58 e 1,12, respectivamente, para os cultivos controle e suplementados com óleo de soja in natura e miniemulsionado. Esta separação promoveu melhores resultados na predição da biomassa, pois a respiração microbiana é diferente nas duas fases. Os resultados deste trabalho mostraram que as suplementações do meio de cultivo com óleo de soja in natura e miniemulsionado, com lecitina de soja, nas condições estudadas, promoveram resultados semelhantes em termos de aumento de produtividade em polímero. Assim, a suplementação com óleo de soja in natura é preferível, pois o óleo não precisa passar por uma etapa de preparação antes da suplementação, o que acarreta custos ao processo.

Poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB)) is an intracellular product produced by several microrganisms as energy source. Cupriavidus necator is the most studied bacterium for the production of this polymer due to its ability to accumulate up to 80 % of its dry weight in P(3HB). Due to high production costs, improving the production process is necessary to allow this polymer to be commercially competitive. Studies have shown that the use of supplements or inductors the production of P(3HB), like soybean oil, is an interesting alternative to increase the productivity on polymer. Several vegetable oils in natura have been tested and showed good results, but an alternative that can influence these results is the supplementation of the culture medium with miniemulsion oils, which have a larger contact area between oil and water. In this context, this study compares the effect of culture medium supplementation with in natura and miniemulsioned soybean oil, with soy lecithin, on P(3HB) production by C. necator. The results showed that the equivalent concentration of 0.3 g.L-1 in oleic acid promoted higher polymer productivity than the equivalent concentration of 0.6 g.L-1. The best moment for culture supplementation medium was determined from the analysis of enzymatic activity, which showed that the addition of the supplement should be made when the concentration of nitrogen in the culture medium was 0.4 g.L-1, since adding the supplement at this time, the enzyme activity achieves maximum values. Experiments in bioreactor increased the productivity in both cultures supplemented, for the in natura and miniemulsion soybean oil supplementation the increase of productivity was 0.23 g.h-1 and 0.29 g.h-1, respectively, in other words, the miniemulsion did not provide better results. This behavior occured probably because the stability of oil particles in miniemulsion, making difficult the consumption of substrate by the microorganism. The data of oxygen transfer showed a behavior similar, for the cultures without supplementation and supplemented with soybean oil in natura and miniemulsioned, to the oxygen uptake rate (QO2X) and the volumetric oxygen transfer coefficient (KLa). First there was an increase in both curves until the early stationary phase of bacterial growth and subsequently decreased, because oxygen is used mostly for cellular maintenance, since bacterial growth is minimal at this step. The model proposed by Zabriskie and Humphrey (1978) could be used as a tool for predicting the cellular biomass during the cultivation. The model fits well the experimental data when the yield (YX/O) and the maintenance coefficient for oxygen (mo) were calculated in two distinct phases, one of growth and other of production. When the cultivations were not separate, the MSE values for model fitting to experimental data, for control, in natura and miniemulsioned soybean oil supplementation cultivations were respectively 1.41, 6.54 and 5.95, while the MSE values for cultivations separated in two distinct phases were 2.14, 0.58 and 1.12, respectively, for control, in natura and miniemulsioned soybean oil supplementation cultivations. This separation promoted better results in the prediction of cellular biomass because the bacterial respiration is different in these two phases. The results of this study showed that supplementation of culture medium with soybean oil in natura and miniemulsion soybean oil, with soy lecithin, under the studied conditions, promoted similar productivity increase in polymer. Therefore, supplementation with soybean oil in natura is preferable, because the oil does not need any preparation before supplementation.