Production of L-lactic acid from the soybean vinasse
Resumo
Resumo: O ácido láctico, nome popular do ácido 2-hidroxipropanóico (C3H6O3), é o ácido carboxílico mais abundante na natureza. O ácido L-láctico é classificado como "Generally Recognized as Safe" pelo Food and Drug Administration e encontra muitas aplicações em quatro grandes categorias: alimentação humana e animal, cosmética, farmácia e química. A mais recente aplicação do ácido láctico é a sua polimerização a ácido poli-láctico (PLA), um plástico biocompatível e biodegradável que encontra muitas aplicações na área médica. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um bioprocesso econômico para a produção de ácido L(+)-láctico usando a vinhaça de soja (resíduo da fermentação alcoólica do melaço de soja) como substrato. A investigação experimental incluiu seleção da cepa para produção de ácido L-láctico, otimização da composição do meio de fermentação (concentração de açúcar, adição de sais inorgânicos e extrato de levedura, concentração de carbonato de cálcio), otimização das condições de fermentação (idade e tamanho do inóculo) e a definição de parâmetros cinéticos. Dentre dez diferentes cepas testadas, Lactobacillus agilis LPB 56 foi selecionada para a fermentação láctica, pela sua habilidade de metabolizar os açúcares complexos da vinhaça, estaquiose e rafinose. A vinhaça forneceu os nutrientes necessários para o crescimento bacteriano, de modo que não houve necessidade de suplementar o meio com sais inorgânicos ou extrato de levedura. O conteúdo de açúcar do meio de fermentação foi aumentado pela concentração da vinhaça, tanto por evaporação como por adição de melaço concentrado (65°Brix). O meio concentrado por evaporação até 20°Brix apresentou o melhor rendimento (90.86% sobre os açúcares iniciais), e uma concentração final de ácido láctico de 73.04 g/L. A maior concentração de ácido láctico, 137.7 g/L, foi atingida no meio concentrado com melaço até 30°Brix. A centrifugação do meio antes da fermentação não melhorou significativamente os rendimentos da fermentação. Carbonato de cálcio, um agente tamponante, precisou ser adicionado antes da fermentação a uma concentração mínima de 6% (m/v), e o pH teve que ser controlado durante a fermentação pela adição de hidróxido de cálcio. As idades do inóculo ótimas foram 24 h em meio MRS e 16 h na vinhaça. Inóculo adicionado a uma proporção de 50% resultou em maior produtividade (130.7 g/L em 120 h, ou 1.089 g/L.h), enquanto que a proporção de 25% forneceu maiores concentrações e rendimentos (139.1 g/L em 168 h e 81.82% sobre os açúcares consumidos). Parâmetros cinéticos e de rendimento foram determinados para a fermentação da vinhaça, e os valores calculados foram 0.037 h-1 para máxima velocidade específica de crescimento, 1.91 g/L.h para máxima produtividade em ácido láctico, 1.43 g/L.h para produtividade média de ácido láctico, 0.941% para rendimento em biomassa a partir do substrato e 85.0% para rendimento em produto a partir do substrato. Abstrct: Lactic acid, the popular name of the 2-hydroxypropanoic acid (C3H6O3), is the most widely occurring carboxylic acid in nature. L-lactic acid is classified as "Generally Recognized as Safe" by the Food and Drug Administration and finds several applications in four major categories: food and feed, cosmetics, pharmacy and chemistry. The most recent application of lactic acid is its polymerization to poly-lactic acid (PLA), which is a biocompatible and biodegradable plastic that finds many uses in the medical field. The main objective of this work was the development of an economical bioprocess for the production of L(+)-lactic acid using the soybean vinasse (residue of the alcoholic fermentation of the soybean molasses) as substrate. Experimental approach included selection of the strain for L-lactic acid production, optimization of fermentation medium’s composition (sugar concentration, addition of inorganic salts and yeast extract, concentration of calcium carbonate), optimization of fermentative conditions (inoculum’s age and size) and the definition of kinetic parameters. Among ten different strains assayed, Lactobacillus agilis LPB 56 was selected for lactic fermentation, due to its ability to metabolize the complex sugars of the vinasse, stachyose and raffinose. The vinasse provided the necessary nutrients for bacterial growth, so there was no need to supplement the medium with inorganic salts or yeast extract. The sugar content of the fermentation medium was increased by concentrating the vinasse, either by evaporation or by addition of concentrated molasses (65°Brix). Medium concentrated by evaporation to 20°Brix provided the best yield (90.86% over initial sugars), and a final lactic acid concentration of 73.04 g/L. The highest lactic acid concentration, 137.7 g/L, was reached in the medium concentrated with molasses to 30°Brix. Centrifugation of the medium before fermentation did not significantly improve fermentation yields. Calcium carbonate, a buffer agent, had to be added before fermentation at the minimum concentration of 6% (w/v), and the pH had to be controlled during fermentation by calcium hydroxide addition. The optimal inoculum’s ages were 24 h in MRS medium and 16 h in the vinasse. Inoculum added at the proportion of 50% resulted in higher productivity (130.7 g/L in 120 h, or 1.089 g/L.h), while the proportion of 25% provided higher concentrations and yields (139.1 g/L in 168 h and 81.82% over consumed sugars). Kinetic and yield parameters were determined for the fermentation of the vinasse, and the calculated values were 0.037 h-1 for maximum specific growth rate, 1.91 g/L.h for maximum lactic acid productivity, 1.43 g/L.h for average lactic acid productivity, 0.941% for biomass yield from substrate and 85.0% for product yield from substrate.
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