Produção e purificação de ácido lático a partir de substratos alternativos

Abstract

Resumo: A importância comercial do ácido lático (AL) se deve à sua versatilidade de aplicação, muito apreciada na indústria de alimentos, e atualmente, por ser o precursor do ácido poli-lático (PLA). O PLA é um polímero derivado do AL, que chama a atenção pela sua ocorrência natural e características seguras de aplicabilidade, especialmente em relação ao meio ambiente. É um componente de bioplásticos e embalagens, cotado para substituir os plásticos sintéticos derivados do petróleo, colaborando com o esforço global em reduzir taxas de emissão de CO2. A demanda pela produção do PLA também decorre da evolução dos procedimentos estéticos e biomédicos, cujas aplicações vem crescendo nas duas últimas décadas. Logo, para se obter um PLA de qualidade, é imperativo um precursor (AL) de alta qualidade. Com isso, o processo de produção de AL e, consequentemente, de PLA apresenta alguns gargalos, relacionados ao custo do meio fermentativo, processo de recuperação e purificação do AL. O seu processo de produção é simples, o que possibilita o uso de substratos alternativos como o caldo de cana, e resíduos agro-industriais. Os substratos alternativos diminuem o custo do meio fermentativo e fornecem um ambiente favorável para a multiplicação celular das bactérias produtoras do AL (LAB). As LABs se adaptam bem aos substratos contendo açúcares simples ou dímeros, a exemplo da sacarose. Destaca-se a bactéria Lactobacillus pentosus, que apresenta grande potencial de produção de AL, porém, ainda é pouco explorada. Portanto, não se tem o conhecimento da produção de AL pela L. pentosus utilizando caldo de cana como substrato. Diante desse contexto, o presente trabalho teve como objetivo a produção do AL a partir de caldo de cana-de-açúcar, a qual é largamente produzida no país com altas concentrações em sacarose, e a proposição de método de purificação utilizando diferentes resinas de troca iônica em sistema de colunas e sistema agitado (frascos de Erlenmeyer em banho-maria com agitação orbital e tanque agitado). Realizou-se a cinética de produção de AL durante 168 horas com a cepa de L. pentosus, onde a produção de 113,74 g/L foi alcançada em 96 horas, com uma produtividade de 1,18 g AL/L.h. Dentre as técnicas e resinas utilizadas, a melhor técnica foi com o uso combinado das resinas Amberlite IR120 e IRA-67 em tanque com agitação, que promoveu a obtenção de uma concentração final de AL de 189,11 g/L após 120 minutos de contato com a amostra, com recuperação da massa de AL de 95%. Tal resultado demonstra uma maneira simplificada de utilizar as resinas de troca iônica, de modo seguro em ambiente controlado e com a possibilidade de uso em maiores escalas de produção. As resinas empregadas para a purificação de AL foram anteriormente pesquisadas. Por outro lado, não existem relatos que descrevem a sua utilização em tanque agitado. Este trabalho atingiu o objetivo de apresentar uma solução tecnológica para a produção e purificação de AL, para posterior polimerização em PLA, em processos escalonáveis.

Abstract: The commercial importance of lactic acid (LA) is due to its application versatility, much appreciated in the food industry, and currently, for being the precursor of poly-lactic acid (PLA). PLA is a polymer derived from LA, which draws attention for its natural occurrence and safe applicability characteristics, especially in relation to the environment. It is a component of bioplastics and packaging, tipped to replace synthetic plastics derived from petroleum, contributing to the global effort to reduce CO2 emission rates. The demand for PLA production also stems from the evolution of aesthetic and biomedical procedures, whose applications have been growing in the last two decades. Therefore, to obtain a quality PLA, a high-quality precursor (LA) is imperative. Thus, the production process of LA and, consequently, of PLA presents some bottlenecks, related to the cost of the fermentation medium, recovery process and purification of LA. Its production process is simple, which allows the use of alternative substrates such as the natural sugary drink from sugarcane juice, and agro-industrial biomass waste. Alternative substrates reduce the cost of the fermentation medium and provide a favorable environment for the cellular multiplication of LA-producing bacteria (LAB). LABs adapt well to substrates containing simple sugars or dimers, such as sucrose. The bacteria Lactobacillus pentosus stands out, which has great potential for LA production, however, it is still slightly explored. Therefore, the LA production by L. pentosus using sugarcane juice as substrate is not known. In this context, the present work aimed to produce LA from sugarcane juice, which is widely produced in the country with high concentrations of sucrose. Also, to propose a purification method using different ion exchange resins in a column system and agitated system (Erlenmeyer flasks in a water bath with orbital agitation and stirred tank). The kinetics of LA production was performed during 168 hours with the L. pentosus strain, where the production of 113.74 g/L was reached in 96 hours, with a productivity of 1.18 g LA/L.h. Among the techniques and resins used, the best technique was the combined use of Amberlite IR120 and IRA-67 resins in a stirred tank, which resulted in a final LA concentration of 189.11 g/L after 120 minutes in contact with the sample, with 95% LA mass recovery. This result demonstrates a simplified way to use ion exchange resins, safely in a controlled environment and with the feasibility of use in larger production scales. The resins used for the LA purification were previously investigated. On the other hand, there are no reports describing its use in stirred tanks. This work reached the objective of presenting a technological solution for the LA production and purification, for later polymerization in PLA, in scalable processes.