Avaliação do potencial de produção de 2,3-butanodiol utilizando diferentes espécies de bactérias e fontes de carbono

Abstract

O álcool 2,3-butanodiol (2,3-BD) apresenta extensa aplicação industrial, podendo ser destinado tanto para processos industriais, tais como nas indústrias de polímeros, de tintas de impressão, de perfumes, de explosivos e de plastificantes, quanto para a obtenção de outros produtos químicos, tais como metil-etil-cetona, 1,3-butadieno e diacetil. A produção de 2,3-BD pode ocorrer por processos puramente químicos como por biossíntese microbiana. No entanto, o interesse pela obtenção desse álcool a partir da via biológica, a partir de fontes de carbono renováveis como matéria-prima, tem crescido muito devido aos problemas político-econômicos do uso do petróleo, bem como à necessidade de implementação de gestão mais sustentável de resíduos. Nesse contexto, a otimização da produção de 2,3-BD por bactérias se faz necessária. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial de produção de 2,3-BD a partir de glicerol, permeado de soro de queijo e de glicose como fontes de carbono utilizando três diferentes bactérias do gênero Bacillus: Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis e Paenibacillus polymyxa, além de otimizar parâmetros de processo como pH, temperatura, concentração de fonte de carbono inicial e concentração de oxigênio dissolvido no meio de cultivo a fim de garantir as melhores condições de produção de 2,3-BD. Através de experimentos iniciais, constatou-se que a única linhagem produtora de 2,3-BD foi a de Bacillus licheniformis utilizando glicose como substrato. Através do planejamento composto central, foram otimizados alguns parâmetros do processo com o objetivo de obter a conversão máxima de substrato a 2,3-BD. Os valores ótimos obtidos foram de pH inicial de 7,85, temperatura de 36,8 °C e concentração inicial de glicose de 37,21 g∙L-1. Experimentos realizados em incubadora de agitação orbital comprovaram esses resultados, de modo que a conversão média de glicose a 2,3-BD foi de 0,25 g∙g-1, comparável ao valor teórico predito pelo modelo obtido de 0,261 g∙g-1. Cultivos em biorreatores em regime de batelada foram realizados a fim de testar as condições de limitação de oxigênio a 10 %, 20 % e 30 %, utilizando os parâmetros obtidos pelo planejamento composto central e mantendo o pH constante a 7,85 durante todo o processo. Essa estratégia mostrou-se pouco eficiente, porque os valores de Y2,3-BD obtidos foram de 0,06 g∙g-1, 0,07 g∙g-1 e 0,15 g∙g-1, respectivamente, inferiores ao valor obtido anteriormente, além de concentração final de 2,3-BD de 1,35 g∙L-1 e produtividade de 0,08 g∙L-1∙h-1 para 10 % de oxigênio, 1,37 g∙L-1 e 0,08 g∙L-1∙h-1 para 20 % oxigênio e 1,75 g∙L-1 e 0,13 g∙L-1∙h-1 para 30 % de oxigênio.

The alcohol 2,3-butanediol has an extensive industrial application, varying from its use in the polymer industry, printing inks, perfumes, explosives, plasticizers, and for the production of other chemical products, such as methyl-ethyl-keton, 1,3-butadiene, and diacetyl. The production of 2,3-BD can be carried out by chemical processes or by microbial biosynthesis. However, there is a growing interest in using the biological route from renewable carbon sources as feedstock, because of economic and political issues surrounding the oil industry, and the necessity of a more sustainable waste management implementation as well. In this context, the optimization of the 2,3 butanediol production is necessary. Therefore, the aim of this work was to evaluate the potential production of 2,3-butanediol using raw glycerol, whey permeate, or glucose as carbon sources, utilizing three different Bacillus bacteria: Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis and Paenibacillus polymyxa. It was necessary to optimize the pH, temperature, initial carbon source concentration, and the dissolved oxygen concentration in the culture medium, in order to ascertain the best 2,3-BD production conditions. The initial experiments showed that only Bacillus licheniformis was capable to produce 2,3-BD on glucose as substrate. Process parameters were optimized using central composite design of experiments, to optimize 2,3-BD yields. Hightest results were achieved as initial pH of 7.85; temperature of 36.8 °C, and initial glucose concentration of 37.21 g∙L-1. Validation using shake flask experiments confirmed these results, with an average 2,3-BD yield of 0.25 g∙g-1, which was considered comparable to the theoretical value predicted by the model, of 0.261 g∙g-1. Batch bioreactor cultivations were carried out in order to test oxygen limited conditions of 10 %, 20 % and 30 % dissolved oxygen (DO), using the conditions previously obtained and keeping a constant pH of 7.85 during the entire process. This strategy was not efficient, because 2,3-BD yields were 0.06 g∙g-1, 0.07 g∙g-1 and 0.15 g∙g-1, respectively, representing much lower values than those previously obtained. Furthermore, the final concentration and volumetric productivity of 2,3-BD were 1.35 g∙L-1 and 0.08 g∙L-1∙h-1 for 10 % DO, 1.37 g∙L-1 and 0.08 g∙L-1∙h-1 for 20 % DO, and 1.75 g∙L-1 and 0,13 g∙L-1∙h-1 for 30 % DO.