Production of bioplastics from hydrolysates of paper industry by Cupriavidus necator

Abstract

O objetivo deste trabalho foi a utilização de hidrolisado de pasta de papel crua proveniente do processo kraft, uma matéria-prima renovável, como substrato para a produção de polihidroxialcanoatos (PHAs) por Cupriavidus necator. O hidrolisado obtido após uma hidrólise enzimática era uma solução com 84.06 g.L-1 de glucose e 20.22 g.L-1 de xilose. As experiências preliminares foram realizadas usando dois meios de cultura, meios 1 e 2, com hidrolisado ou glucose como fonte de carbono. Duas estirpes de C. necator, NRRL B-4383 and DSM 545, foram crescidas em ambos os meios e os melhores resultados obtidos com hidrolisado foram com a NRRL B-4383 no meio 1, conseguindo uma biomassa máxima, uma taxa específica de crescimento e uma acumulação máxima de P(3HB) de 4.82 g.L-1, 0.305 h-1 e 26.51 %, respetivamente, enquanto que a DSM 545 obteve o seu melhor resultado no meio 2, conseguindo uma biomassa máxima, uma taxa específica de crescimento e uma acumulação máxima de P(3HB-co-3HV) de 4.07 g.L-1, 0.498 h-1 e 4.26 %. A estirpe DSM 545 foi a escolhida para continuar os testes devido ao seu rápido crescimento, à capacidade para consumir xilose e de produção de P(3HB-co-3HV) em vez de P(3HB), apesar da baixa acumulação. Foram realizados alguns ensaios no meio 2 com hidrolisado com diferentes concentrações de glucose (20 e 40 g.L-1). A estirpe DSM 545 cresceu melhor no meio com 20 g.L-1, consumindo todo o substrato, chegando a 3.26 g.L-1 de biomassa com uma taxa específica de crescimento de 0.137 h-1, contrariamente à concentração máxima de biomassa de 1.99 g.L-1 e à taxa específica de crescimento de 0.139 h-1 obtidos no ensaio com 40 g.L-1. Ácidos láctico, acético e propiónico foram produzidos durante estes ensaios. Um ensaio em fed-batch foi realizado em Erlenmeyer com agitação para alimentar a cultura com hidrolisado. Contudo, a biomassa parou o seu crescimento logo após o pulso de hidrolisado devido à descida do pH para valores inibitórios, 4.97. De modo a controlar o pH, oxigénio, assim como a agitação e temperatura e para impor uma limitação de amónio, foi realizado um ensaio em reator. Uma concentração de biomassa máxima, taxa especifica de crescimento, acumulação máxima de P(3HB-co-3HV) e produtividade de 7.63 g.L-1, 0.209 h-1, 6.5 % e 0.0126 gPHA.L-1h-1 foram conseguidos com uma taxa de consumo de glucose e xilose de 1.58 g.L-1h-1 e 0.136 g.L-1h-1, respetivamente. Contudo, devido à limitação de oxigénio, C. necator alterou o seu metabolismo para fermentativo, produzindo ácidos láctico, acético e propiónico numa concentração de 3.34 g.L-1, 1.63 g.L-1 e 6.77 g.L-1, respetivamente. O polímero extraído foi identificado como sendo P(3HB-co-3HV) com 21.51 % mol 3HV e foi caracterizado por DSC, tendo sido obtidos temperaturas de transição vítrea e de fusão, e uma cristalinidade de -3.60 °C, 123.41 °C e 27.17 %, respetivamente. Este trabalho reconheceu a possibilidade de produção de PHAs usando hidrolisado de pasta de papel como substrato, pela primeira vez por C. necator.

O objetivo deste trabalho foi a utilização de hidrolisado de pasta de papel crua proveniente do processo kraft, uma matéria-prima renovável, como substrato para a produção de polihidroxialcanoatos (PHAs) por Cupriavidus necator. O hidrolisado obtido após uma hidrólise enzimática era uma solução com 84.06 g.L-1 de glucose e 20.22 g.L-1 de xilose. As experiências preliminares foram realizadas usando dois meios de cultura, meios 1 e 2, com hidrolisado ou glucose como fonte de carbono. Duas estirpes de C. necator, NRRL B-4383 and DSM 545, foram crescidas em ambos os meios e os melhores resultados obtidos com hidrolisado foram com a NRRL B-4383 no meio 1, conseguindo uma biomassa máxima, uma taxa específica de crescimento e uma acumulação máxima de P(3HB) de 4.82 g.L-1, 0.305 h-1 e 26.51 %, respetivamente, enquanto que a DSM 545 obteve o seu melhor resultado no meio 2, conseguindo uma biomassa máxima, uma taxa específica de crescimento e uma acumulação máxima de P(3HB-co-3HV) de 4.07 g.L-1, 0.498 h-1 e 4.26 %. A estirpe DSM 545 foi a escolhida para continuar os testes devido ao seu rápido crescimento, à capacidade para consumir xilose e de produção de P(3HB-co-3HV) em vez de P(3HB), apesar da baixa acumulação. Foram realizados alguns ensaios no meio 2 com hidrolisado com diferentes concentrações de glucose (20 e 40 g.L-1). A estirpe DSM 545 cresceu melhor no meio com 20 g.L-1, consumindo todo o substrato, chegando a 3.26 g.L-1 de biomassa com uma taxa específica de crescimento de 0.137 h-1, contrariamente à concentração máxima de biomassa de 1.99 g.L-1 e à taxa específica de crescimento de 0.139 h-1 obtidos no ensaio com 40 g.L-1. Ácidos láctico, acético e propiónico foram produzidos durante estes ensaios. Um ensaio em fed-batch foi realizado em Erlenmeyer com agitação para alimentar a cultura com hidrolisado. Contudo, a biomassa parou o seu crescimento logo após o pulso de hidrolisado devido à descida do pH para valores inibitórios, 4.97. De modo a controlar o pH, oxigénio, assim como a agitação e temperatura e para impor uma limitação de amónio, foi realizado um ensaio em reator. Uma concentração de biomassa máxima, taxa especifica de crescimento, acumulação máxima de P(3HB-co-3HV) e produtividade de 7.63 g.L-1, 0.209 h-1, 6.5 % e 0.0126 gPHA.L-1h-1 foram conseguidos com uma taxa de consumo de glucose e xilose de 1.58 g.L-1h-1 e 0.136 g.L-1h-1, respetivamente. Contudo, devido à limitação de oxigénio, C. necator alterou o seu metabolismo para fermentativo, produzindo ácidos láctico, acético e propiónico numa concentração de 3.34 g.L-1, 1.63 g.L-1 e 6.77 g.L-1, respetivamente. O polímero extraído foi identificado como sendo P(3HB-co-3HV) com 21.51 % mol 3HV e foi caracterizado por DSC, tendo sido obtidos temperaturas de transição vítrea e de fusão, e uma cristalinidade de -3.60 °C, 123.41 °C e 27.17 %, respetivamente. Este trabalho reconheceu a possibilidade de produção de PHAs usando hidrolisado de pasta de papel como substrato, pela primeira vez por C. necator.