Avaliação de condições de cultivo para aumento da produção de P(3HB) por Bacillus megaterium e modelagem do bioprocesso

Abstract

O poli(3-hidroxibutirato) é um biopolímero obtido a partir de fontes renováveis e é um poliéster biodegradável. Possui um grande potencial de aplicação principalmente em artefatos e embalagens descartáveis e também na área médica, devido sua biocompatibilidade. Neste trabalho foi estudada a produção de P(3HB) por Bacillus megaterium em meio mineral, buscando o aumento na produção deste biopolímero, bem como representar matematicamente este bioprocesso. Foram avaliadas a influência do pH e da disponibilidade de oxigênio em cultivos utilizando sacarose como fonte de carbono. Também foi avaliada a influência de diferentes fontes de nitrogênio, com glicerol ou sacarose como fonte de carbono. A influência do pH foi estudada mediante experimentos em biorreator de 4 L com controle da concentração de oxigênio dissolvido acima de 40 % em relação a saturação, com ou sem controle de pH. Observou-se que o acúmulo de P(3HB) foi maior quando o pH não foi controlado, 34 % em relação a biomassa em comparação com 28 % quando pH foi controlado. Foi realizada a modelagem da produção de P(3HB), com proposição de quatro modelos. Os dados experimentais dos cultivos com e sem controle de pH foram utilizados na etapa de estimação de parâmetros. Em comparação com modelos relatados na literatura os modelos propostos apresentaram melhor ajuste, com menor ou igual número de parâmetros, e forneceram estimativas dos parâmetros com menor variabilidade. A avaliação da influência do oxigênio foi realizada através de cultivos em biorreator de 4 L, sem controle de pH, com diferentes condições de transferência de oxigênio, obtidas variando-se a rotação do impelidor entre 100 rpm e 600 rpm. O maior acúmulo de biopolímero foi obtido em experimento com rotação do impelidor 200 rpm, o qual apresentou um baixo coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa = 0,006 s-1) e possibilitou acúmulo de 62 % de P(3HB) em relação a biomassa seca. Para avaliar a melhor fonte de nitrogênio, foram realizados experimentos em estufa incubadora rotatória com cinco fontes de nitrogênio diferentes: cloreto de amônio, citrato de amônio, sulfato de amônio, fosfato de amônio e nitrato de amônio. Com relação à fonte de carbono, sacarose possibilitou maior acúmulo de P(3HB) e biomassa que glicerol. Com relação à fonte de nitrogênio, cloreto de amônio possibilitou maior acúmulo de P(3HB) e biomassa quando utilizado glicerol como fonte de carbono, enquanto que sulfato de amônio aumenta a produção com sacarose.

Poly(3-hydroxybutyrate) is a biodegradable polyester produced from renewable resources. This polymer has a great potential to be used as disposable items and packaging, and also in the medical field due to its biocompatibility. In this work, the P(3HB) production by Bacillus megaterium in mineral medium was studied aiming the increase of biopolymer production, as well the development of a mathematical model for this bioprocess. The influence of pH and oxygen transfer rate in a B. megaterium culture using sucrose as carbon source was evaluated, and the influence of different nitrogen sources using sucrose or glycerol as carbon source was analyzed. The influence of pH-medium was studied in bench-scale bioreactor under controlled and uncontrolled pH. The dissolved oxygen was controlled above 40 % of saturation. It was observed that P(3HB) accumulation was higher in the experiment without pH control (34 % of dry biomass) than in the experiment with pH control (28 % of dry biomass). Four models were proposed to perform the mathematical modeling of this bioprocess. The experimental data of the cultures with and without pH control were used for parameter estimation. Compared to earlier models reported in the literature, the proposed models show better fitting, with less or equal number of parameters, and provide parameters estimative with much lower variability. The evaluation of oxygen transfer rate influence was performed in 4 liters bioreactor cultures without pH control, with different conditions of oxygen transfer rates by ranging impeller speed between 100 rpm and 600 rpm. The higher P(3HB) accumulation (62 % of dry biomass) was attained in the experiment with low volumetric oxygen transfer rate (kLa = 0.006 s-1), at 200 rpm impeller speed. To evaluate the best nitrogen source for sucrose or glycerol as carbon sources, experiments were performed in shaker with five different nitrogen sources: ammonium chloride, ammonium citrate, ammonium sulfate, ammonium phosphate and ammonium nitrate. With respect to carbon source, sucrose allowed higher biomass and P(3HB) accumulation than glycerol. With respect to nitrogen source, ammonium chloride allowed highest biomass and P(3HB) accumulation when glycerol was used as carbon source, whereas ammonium sulfate showed the best results for sucrose.