A tale of two bioprocesses

Abstract

Bioprocesses use microorganisms or cells in order to produce and/or obtain some desired products. Nowadays these strategies appear as a fundamental alternative to the traditional chemical processes. Amongst the many advantages associated to their use in the chemical, oil or pharmaceutical industries, their low cost, easily scale-up and low environmental impact should be highlighted. This work reports two examples of bioprocesses as alternatives to traditional chemical processes used by the oil and pharmaceutical industries. In the first part of this work it was studied an example of a bioprocess based on the use of microorganisms in enhanced oil recovery. Currently, due to high costs of oil and its scarcity, the enhanced oil recovery techniques become very attractive. Between the available techniques the use of microbial enhanced oil recovery (MEOR) has been highlighted. This process is based on the stimulation of indigenous microorganisms or by the injection of microorganism consortia to produce specific metabolites and hence increase the amount of oil recovered. In the first chapters of this work the isolation of several microorganisms from samples of paraffinic Brazilian oils is described, and their tensioactive and biodegradability properties are presented. Furthermore, the chemical structures of the biosurfactants produced by those isolates were also characterized. In the final chapter of the first part, the capabilities of some isolated bacteria to enhance the oil recovery of paraffinic Brazilian oils entrapped in sand-pack columns were evaluated. In the second part of this work it was investigated aqueous two-phase systems or aqueous biphasic systems (ABS) as extractive strategies for antibiotics directly from the fermented broth in which they are produced. To this goal, several aqueous two-phase systems composed of ionic liquids (ILs) and polymers were studied for the first time and their phase diagrams were determined. The novel ATPS appear as effective and economic methods to extract different biomolecules or/and biological products. Thus, aiming the initial antibiotics extraction purpose it was studied the influence of a wide range of ILs and polymers in the aqueous two-phase formation ability, as well as their influence in the partitioning of several type-molecules, such as amino acids, alkaloids and dyes. As a final chapter it is presented the capacity of these novel systems to extract the antibiotic tetracycline directly from the fermented broth of Streptomyces aureofaciens.

Os bioprocessos utilizam microrganismos ou células de forma a produzir e/ou obter determinados produtos. Nos dias de hoje estes bioprocessos assumem uma posição fundamental como alternativa aos processos químicos tradicionais. Entre as diversas vantagens associadas ao seu uso pelas indústrias químicas, petrolíferas e farmacêuticas destacam-se o seu baixo custo, facilidade de “scale-up” e menor impacto ambiental. Este trabalho reporta dois exemplos de bioprocessos utilizados como alternativa aos processos químicos utilizados pelas indústrias petrolífera e farmacêutica. Na primeira parte deste trabalho foi estudado um bioprocesso alternativo recorrendo ao uso de microrganismos para a recuperação avançada de petróleo. Actualmente, devido aos elevados preços do petróleo e à sua escassez, as técnicas de recuperação avançada de petróleo tornaram-se muito atractivas. Entre as várias técnicas tem-se destacado o uso da recuperação avançada de petróleo com microrganismos (MEOR), técnica que se fundamenta na estimulação de microrganismos indígenas ou injecção de consórcios de microrganismos de forma a produzir metabólitos específicos e consequentemente aumentar a quantidade de óleo recuperado. Nos primeiros capítulos deste trabalho descreve-se o isolamento de diversos microrganismos de um óleo parafínico brasileiro e a caracterização das suas propriedades tensioactivas e de biodegradação. Posteriormente caracterizaram-se as estruturas químicas dos biosurfactantes produzidos. No final desta primeira parte foi avaliada ainda a capacidade de algumas das bactérias isoladas na recuperação do óleo parafínico brasileiro aprisionado em colunas de areia. Na segunda parte deste trabalho apresenta-se um exemplo da utilização de sistemas de duas fases aquosas ou sistemas bifásicos aquosos (ABS) para a extracção de antibióticos directamente do meio fermentativo no qual foram produzidos. Neste contexto foram estudados pela primeira vez sistemas de duas fases aquosas constituídos por líquidos iónicos (LIs) e polímeros e onde se determinaram os respectivos diagramas de fase. Os novos ABS surgem como uma metodologia eficaz e economicamente viável para a extracção de diversas biomoléculas e/ou produtos biológicos. Assim, e tendo como objectivo final a extracção de antibióticos de um meio fermentativo, foi estudada a influência de uma vasta gama de líquidos iónicos e polímeros na formação destes sistemas, bem como o seu efeito na partição de diferentes moléculastipo, como aminoácidos, alcalóides e corantes. Como capítulo final apresentase a capacidade destes novos sistemas de duas fases aquosas para extrair o antibiótico tetraciclina directamente do meio fermentativo de Streptomyces aureofaciens.