Valorização da cadeia do milho para a produção de polihidroxibutirato

Abstract

Resumo: O milho é um produto agrícola cultivado mundialmente em ampla escala, podendo ser aplicado para a produção de alimentos, ração animal e a obtenção de outras biomoléculas de interesse, como é o caso do bioetanol de primeira geração. A integração da produção de biocombustíveis e outros bioprodutos cria sistemas de biorrefinaria, agregando valor ao substrato de origem. Os bioplásticos são produtos visados em tais sistemas, sendo definidos como polímeros de origem biológica que apresentam biodegradabilidade. O polihidroxibutirato (PHB) é um biopoliéster que serve de reserva energética para organismos quando submetidos a condições de estresse metabólico, e processos fermentativos podem ser aplicados para sua produção em larga escala. O presente trabalho avaliou a produção de PHB a partir da combinação de hidrolisado da fração amilácea do milho moído e glicerol residual como substratos, criando-se assim uma oportunidade para a implantação de um sistema de biorrefinaria de bioplásticos e combustíveis derivados do milho. Foram comparados e otimizados métodos de hidrólise do milho moído. Para a hidrólise ácida, o rendimento máximo obtido foi de 66% representando 77 g/L de açúcares redutores (12,5% m/v substrato inicial, volume reacional de 50 mL, HCl 1% v/v, 121ºC, 1 atm, 15 minutos). Já na hidrólise enzimática, um rendimento de 75% foi obtido com 110 g/L de açúcares (15% m/v substrato inicial, volume reacional de 1 litro, 0,25 mg a-amilase/g substrato, 0,35 mg glucoamilase/g substrato, 4 horas de reação total). O hidrolisado enzimático foi aplicado em conjunto com glicerol residual como fonte de carbono para a produção de PHB por Cupriavidus necator LPB 1421, ureia e extrato de levedura como fontes de nitrogênio. Após etapas de otimização da composição do meio de produção, um acúmulo máximo de 62% de PHB em 72 horas em frascos de Erlenmeyer de 250 mL com 50 mL de volume operacional foi obtido, representando 11,64 g/L e produtividade de 0,162 g/L.h. Em sistema de biorreator de bancada com 8 litros de volume operacional, 70% de acúmulo de PHB foi reportado em 72 horas de processo - valor considerado alto para uma cepa não recombinante -, o que representa 14,17 g/L do biopolímero com produtividade de 0,197 g/L.h. O PHB recuperado, utilizando-se de um método de digestão química com hipoclorito de sódio, apresentou > 99% de pureza. Assim, demonstrou-se o potencial da aplicação de milho moído e glicerol residual para a obtenção de PHB e a oportunidade de integração de processos com produção de biocombustíveis.

Abstract: Maize is an agro-industrial product cultivated globally in a large scale, which can be applied to food production, animal feeding and to the obtainment of several biomolecules, such as first-generation bioethanol. The integration of production of biofuels and other bioproducts creates biorefinery systems, aggregating value to the substrate. Bioplastics are envisioned products in these systems, being defined as polymers that possess a biological origin and present biodegradability. Polyhydroxybutyrate (PHB) is a biopolyester that serves as an energetic reservoir for microorganisms when submitted to conditions of metabolic stress and fermentative processes can be applied to their production in large scale. This work evaluated the production of PHB from the combination of milled corn starchy fraction hydrolysate and residual glycerol as substrates, generating the opportunity of a biorefinery system of bioplastics and fuels derived from corn. Different methods of hydrolysis were compared and optimized. In the acid hydrolysis, the maximum yield obtained was 66%, which represents 77 g/L of reducing sugars (12.5% w/v initial substrate, 50 mL reactional volume, HCl 1% v/v, 121ºC, 1 atm, 15 minutes). For the enzymatic hydrolysis, the yield was 75% yield, representing 110 g/L of reducing sugars (15% w/v initial substrate, 1 liter reaction volume, 0.25 mg a-amylase/g substrate, 0.35 mg glucoamylase/g substrate, 4 hours of complete reaction). The enzymatic hydrolysate was applied together with residual glycerol as carbon source for the production of PHB by the strain Cupriavidus necator LPB 1421, being urea and yeast extract the nitrogen sources. After optimization steps, a maximum accumulation of 62% of PHB in a 72 hours process in 250 mL Erlenmeyer flasks with 50 mL of operational volume was obtained, which represents 11.64 g/L and productivity of 0.162 g/L.h. In a bench bioreactor system with 8 liters of operational volume, 70% of PHB accumulation was reported - considered a high value for a non-recombinant strain -, representing 14.17 g/L of the biopolymer with 0.197 g/L.h of productivity. The recovered PHB, by a chemical digestion method using sodium hypochlorite, presented purity of > 99%. Therefore, it was demonstrated the potential of the application of milled corn as substrate for PHB production and the opportunity of process integration with biofuels production.