Produção de ácido giberélico por fermentação submersa e por fermentação no estado semissólido em diferentes modelos de biorreatores utilizando polpa cítrica

Abstract

Resumo: O ácido giberélico (GA3) é um importante hormônio vegetal, pertencente à família das giberelinas. É um promotor e regulador de crescimento de plantas, que controla a germinação de sementes, atua no alongamento da parte aérea, induz a florescência, melhora o rendimento, entre outros. A produção de GA3 não é realizada no Brasil sendo produzido apenas por grandes indústrias pelo processo de fermentação submersa, com altos custos o que limita sua aplicação em diversos cultivares. Este trabalho teve por objetivo produzir GA3 por fermentação submersa (FSm) e fermentação no estado semissólido (FESS) utilizando como substratos subprodutos da agroindústria brasileira. Realizou-se uma seleção de cepas de fungos filamentosos quanto à produção de GA3 em meio sintético Imperial Chemical Industry (ICI) por FSm. A maior produção de GA3 obtida foi 248,3 mg/L com a cepa Gibberella fujikuroi LPB-06. Em seguida, foi realizada a seleção de um substrato alternativo para produção de GA3 (extrato aquoso de polpa cítrica (EAPC), manipueira, melaço de cana, melaço de soja e vinhaça). O EAPC foi então escolhido e a produção de GA3 foi de 150 mg/L (1,5 g de GA3/kg de polpa cítrica (PC) seca) em 120 horas de fermentação. Utilizando o EAPC, foram otimizadas algumas condições de fermentação tais como: taxa de inóculo, pH, quantidade de PC no extrato e nutrientes a serem adicionados ao EAPC. As maiores concentrações de GA3 (320 mg/L ou 3,7 g de GA3/kg de PC seca) foram obtidas utilizando o EAPC 10% (10% de PC seca), pH 5,5 (natural da PC), 10% de taxa de inóculo e 0,5 g/L de MgSO4. Na suspensão de PC (SPC) foram otimizadas a quantidade de PC e sua granulometria, assim como nutrientes para serem adicionados a SPC. A maior concentração de GA3 obtida foi de 331 mg/L (7,7 g de GA3/kg de PC seca) utilizando 5% de PC na SPC, granulometria da PC de 2 a 2,8 mm, 20 g/L de sacarose e 0,6 g/L de uréia. A produção de GA3 por FSm foi escalonada para biorreatores do tipo tanque agitado (STR) e biorreatores do tipo coluna de bolhas (BCB). Para STR foram utilizadas duas taxas de aeração diferentes (1 e 5 L/min) e duas velocidades de agitação (300 e 500 rpm). Para o BCB foram utilizadas três taxas de aeração diferentes (0,1, 0,5 e 1L de ar/min). A melhor produção de GA3 em STR foi de 273 mg/L (3,2 g de GA3/kg de PC seca) em 96 horas na condição de 500 rpm e 1 L de ar/min e, a melhor produção obtida por BCB foi de 203,1 mg/L (2,4 g de GA3/kg de PC seca) em 216 horas na condição de 1L de ar /min. A FESS foi escalonada para biorreatores BCB e utilizaram-se três condições de aeração (0,1, 0,5 e 1L de ar/min). A melhor produção de GA3, neste caso, foi de 207,7 mg/L (4,8 g de GA3/kg de PC seca) em 216 horas na condição de 1L de ar/min. Os resultados apresentaram perspectivas de sequencia dos estudos tais como: aumento de escala do processo de produção de GA3 por FESS de frascos de Erlenmeyer para biorreator STR e estudo de diferentes modos de fermentação, melhoramento genético do fungo, estudos de processo de purificação do GA3, modelagem matemática do processo de produção de GA3, formulação de produtos a base de GA3, aplicação dos produtos em campo e estudo econômico dos custos de produção dos produtos obtidos.

Abstract: Gibberellic acid (GA3) is an important plant growth hormone, member of gibberellins family. It is a bioactive growth regulator that controls seed germination, act on stem elongation, induction of flowering, improvement of crop yield and among others things. GA3 production is not performed in Brazil and has been produced only by large industries by submerged fermentation process, with high costs which limits its application in various cultivars. This study aimed the production of GA3 by submerged fermentation (FSm) and semisolid fermentation (FESS) using as substrates, sub-products of the Brazilian agro industry. The screening of filamentous fungi strains was carried out, which involved the study of their capability to synthetize GA3 production using of Imperial Chemical Industry (ICI) medium by submerged fermentation. Gibberella fujikuroi LPB-06 was the best GA3 producer, reaching 248,3 mg/L. Then the screening of substrate (aqueous extract of citric pulp (AECP), manipueira, sugarcane molasses, soy molasses and vinasse), for GA3 production was carried out. The AECP was chosen as substrate for the production of GA3, and the production was 150 mg/L (1,5 g of GA3/kg of dry CP) in 120 hours of fermentation. Some conditions such as: inoculum size, pH, CP amount in the aqueous extract and nutrients were optimized. The highest concentration of GA3 obtained with AECP was 320 mg/L or 3,7 g of GA3/kg of dry CP, with AECP 10% (10% of dry CP), pH 5,5, 10% of inoculums size and 0,5 g/L of MgSO4. Using CP suspension (CPS), were optimized the amount of CP, particle size of substrate and nutrients that were added to medium. The highest GA3 concentration obtained in FESS was 331 mg/L (7,7 g of GA3/kg dry CP) using the medium composed by 5% (w/v) of CP particles, particle size of 2 to 2,8 mm, 20 g/L of sucrose and 0,6 g/L of urea. GA3 production by FSm was performed in 10 L stirred tank reactor (STR) and 1,5 L bubble column reator (BCR). For the STR, two different aeration rates (1 and 5 L of air/min) and two speed stirring (300 and 500 rpm) were used resulting in four fermentations. For the BCR, three different aeration rates (0,1, 0,5 and 1L of air/min) were employed. The higher GA3 production obtained with AECP at STR was 273 mg/L (3,2 g of GA3/kg of dry CP), after 96 hours of fermentation using 500 rpm and 1 L of air/min and, for BCR, the higher GA3 production was 203,1 mg/L (2,4 g of GA3/kg of dry CP) after 216 hours of fermentation, using 1 L of air/min. The FESS was carried out in BCR where three different aeration rates (0,1, 0,5 and 1L of air / min) were used. The GA3 higher production, in this case, was 207,7 mg/L (4,8 g of GA3/kg of dry CP), after 216 hours of fermentation using 1L of air/min. The results showed perspectives of sequence of the studies: scale up GA3 production process by FESS from Erlenmeyer flask to STR and study of different techniques of fermentation, genetic improvement of strain, studies of purification process of GA3, mathematic model of GA3 production process, formulation of GA3 products, application of products on cultivar fields e economics studies of production cost of products obtained.