Produção de polihidroxibutirato por Cupriavidus necator glpFK a partir de glicerol: desenvolvimento experimental e modelagem matemática

Abstract

Polihidroxibutirato (PHB) é uma classe de biopolímero sintetizado por diversosmicrorganismos como material de reserva energética. Suas propriedadestermo-mecânicas e capacidade de ser produzido a partir de fontesrenováveis, o torna uma alternativa notável aos plásticos de origem petroquímica.Dessa maneira, o presente trabalho buscou a síntese de PHBpela cepa Cupriavidus necator glpFK utilizando glicerol como fonte de carbono.Foram realizados cultivos em microplaca e agitador orbital como objetivo de avaliar a influência das concentrações iniciais de glicerol enitrogênio na velocidade específica de crescimento na fase exponencial(_Xrmax). A partir dos resultados obtidos determinou-se as condições iniciaispara os cultivos em biorreator agitado e aerado. Diferentes condições deoperação como temperatura do meio e modo de alimentação de substrato,foram avaliadas baseado nos parâmetros cinéticos _Xrmax e produtividadeem PHB. O cultivo de maior produtividade, 0,75 gp L-1 h-1, foi conduzidoà temperatura de 35 _C e alimentado ao longo da fase de produçãocom as fontes de nitrogênio e carbono. Neste ensaio, a concentração debiomassa total atingida foi de 54,7 g L-1 sendo 65 % PHB acumulado.Posteriormente, um modelo matemático que descreve a evolução das concentraçõesde biomassa residual, PHB e oxigênio dissolvido foi proposto.No equacionamento foi levado em consideração a influência da concentraçãofontes de nitrogênio e carbono sobre o crescimento celular e produçãode biopolímero. Esta foi a primeira vez que a concentração de oxigêniodissolvido foi prevista na produção de PHB. Além do consumo de oxigênio,sua transferência da fase líquida à gasosa foi matematicamente avaliadaem termos do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa).Para avaliar o comportamento do modelo em função das variações dasgrandezas de entrada, foi realizada a análise de sensibilidade global pelométodo LHS-PRCC. Nesta análise foram avaliados 5.000 casos dentro deum intervalo de variação definido para cada grandeza. Como resultado,os parâmetros relativos ao consumo de oxigênio e fonte de carbono paramanutenção das atividades celulares foram desconsiderados do modelo devida à baixa influência causada. O modelo foi, então, treinado por meioda otimização multiobjetivo por busca padronizada a partir dos dados experimentaisde apenas um dos cultivos realizados. Assim, avaliou-se seuajuste aos dados experimentais dos demais ensaios à mesma temperatura,verificando-se uma notável qualidade. Uma nova otimização foi realizada,em que o objetivo foi maximizar a produtividade em PHB por meio daalteração das condições operacionais. Por meio deste experimento computacional,foi apresentada a possibilidade de atingir uma concentraçãofinal de biomassa de 108,7 g L-1 em 60 h de cultivo, com produtividadede 1,36 gp L-1 h-1. Desse modo, os desenvolvimentos experimentais ematemáticos realizados neste estudo foram complementares.<br>

Abstract : Polyhydroxybutyrate (PHB) is a class of biopolymer synthesized by severalmicroorganisms as energy reserve material. Its thermo-mechanical propertiesand ability to be produced from renewable sources make it a notablealternative to petrochemical plastics.Thus, the present work sought thebiosynthesis of PHB by the bacteria strain Cupriavidus necator glpFK usingglycerol as carbon source. Cultures were performed in microplates andincubator shakers in order to evaluate the influence of the initial concentrationsof glycerol and nitrogen on the specific growth rate in during theexponential phase (_Xrmax). From these, the initial conditions for the agitatedand aerated bioreactor cultures were determined. Different operatingconditions such as, temperature and substrate-feed mode were evaluated,in which the kinetic parameters _Xrmax and productivity in PHB were usedas the evaluation criteria.The cultivation with highest productivity, 0.75gp L-1 h-1 was conducted at 35 _C and fed throughout the productionphase with the sources of nitrogen and carbon. In this assay, the finalbiomass concentration was 54.7 g L-1 being 65% accumulated PHB. Thereafter,a mathematical model describing the evolution of residual biomass,PHB and dissolved oxygen concentrations was proposed. In this system ofequations, the influence of nitrogen and carbon sources on cell growth andbiopolymer production was taken into consideration. This was the firsttime that the concentration of dissolved oxygen was predicted in the productionof PHB. In addition to oxygen consumption, its transfer from liquidto gaseous phase was mathematically evaluated in terms of the volumetricoxygen transfer coefficient (kLa).In order to evaluate the model?s behavioras function of variations in the inputs, the global sensitivity analysis wasperformed by the LHS-PRCC method. In this analysis, 5,000 cases wereevaluated within a defined range for each input. As result, the parametersrelated to oxygen and carbon source consumption to maintain cellular activitieswere taken out of the model due to the low influence caused. Themodel was then trained through multiobjective optimization by Pattern Searchusing experimental data of only one of the cultures performed. Then,it was evaluated its fit to the experimental data of the others cultures atthe same temperature, in which outstanding quality was obtained. A newoptimization was performed, in which the objective was to maximize the productivity in PHB by the selection of optimal operational conditions. Bythis computational experiment, the possibility of reaching a final concentrationof biomass of 108.7 g L-1 in 60 h of cultivation with yield of 1.36gp L-1 h-1, was presented. Thus, the experimental and mathematicaldevelopments performed in this study were complementary.