Production of lipids (for biodiesel) and carotenoids from the yeast Rhodotorula glutinis grown in a bench reactor, in a fed-batch system
Year: 2015
Type: dissertation
Abstract: Desde a sua descoberta e exploração que o petróleo se tornou na força motriz da economia mundial e o principal sustento da sociedade moderna, afetando o quotidiano de centenas de milhões de pessoas em todo o Mundo. Contudo, várias previsões por parte de diversas agências alertam para o esgotamento das suas reservas num futuro próximo pois, uma vez que se tratam de um recurso não-renovável, estas existem em quantidades finitas e não conseguem satisfazer o nível de procura atual porque a sua formação natural à escala humana é tão lenta que as reservas existentes simplesmente são incapazes de aumentar ou ser reabastecidas mais rapidamente do que a taxa a que são extraídas atualmente. Além da disponibilidade, existe também o problema do impacto ambiental da exploração e combustão de combustíveis fósseis, principalmente as emissões de CO2 para a atmosfera que estão estreitamente relacionadas com a poluição e as alterações climáticas. Devido a todos os motivos supramencionados, é urgente encontrar substitutos que satisfaçam as necessidades energéticas mundiais. Entre as diferentes alternativas energéticas existentes, os biocombustíveis representam a opção mais favorável ao meio ambiente. Os biocombustíveis podem ser classificados como primários ou secundários. Os primários utilizam material orgânico que é queimado diretamente na sua forma química natural e não modificada, utilizado principalmente para o aquecimento e a produção de eletricidade. Os secundários utilizam a biomassa processada que existe na forma sólida, gasosa ou líquida e podem ser usados para o transporte e em vários processos industriais. Os biocombustíveis secundários são ainda classificados como biocombustíveis de primeira, segunda e terceira geração. Os biocombustíveis de primeira geração são produtos derivados de culturas alimentares para consumo humano. No entanto, a utilização de terras agrícolas aráveis para a sua produção gera alguma polémica, levando a que muitas agências, particularmente organizações agrícolas e alimentares assim como modeladores económicos questionem o uso desses biocombustíveis, considerando-os como inviáveis. De modo a combater esta controvérsia, a produção de biocombustíveis a partir de biomassa não-comestível tem sido favorecida. Ao contrário dos biocombustíveis de primeira geração, a matéria-prima dos combustíveis de segunda geração provém geralmente de materiais lignocelulósicos não-comestíveis, não competindo com a produção de alimentos, eliminando assim a concorrência com as culturas alimentares. Contudo, estes biocombustíveis não podem ainda ser produzidos economicamente em grande escala, uma vez que a conversão de biomassa lignocelulósica em açúcares para posterior fermentação é um processo complexo, necessitando de equipamentos de produção e de processamento mais sofisticados, mais investimento por unidade de produção e instalações de grande escala. Os biocombustíveis de terceira geração utilizam microrganismos como uma alternativa às fontes agrícolas e animais, particularmente microrganismos oleaginosos (aqueles que têm a capacidade de acumular quantidades significativas de triacilgliceróis como materiais de reserva, e apresentam um teor de lípidos superior a 20% do seu peso seco em biomassa) para produção de biodiesel, não apresentando as desvantagens dos biocombustíveis de primeira e de segunda geração. A maior parte dos trabalhos de produção de biodiesel a partir de microrganismos oleaginosos focam-se na utilização de microalgas autotróficas. Estas crescem mais rápido, apresentam produtividades de biomassa e de lípidos mais elevadas e requerem uma menor área de cultivo comparativamente a culturas vegetais. No entanto, tem-se assistido a uma transição para culturas de microalgas heterotróficas devido a maior facilidade de cultivo e por apresentarem produção mais elevada de ácidos gordos em relação a culturas autotróficas. Outros microrganismos heterotróficos produtores de óleo, nomeadamente bactérias, fungos e leveduras também têm sido considerados como uma fonte promissora de biocombustível. A levedura Rhodotorula glutinis é uma espécie oleaginosa produtora de carotenóides, produtos de reserva com alto valor acrescentado de grande interesse comercial com aplicações nas indústrias d alimentação animal, farmacêutica e cosmética. A produção de biocombustíveis de terceira geração é um processo complexo e caro, pelo que, neste aspeto, não traz vantagem em relação aos combustíveis de 1ª geração. Contudo, a coprodução destes compostos intracelulares em conjunto com os lípidos da biomassa da levedura pode contribuir para reduzir significativamente os custos de produção de biodiesel a partir deste microrganismo. Neste trabalho, a levedura Rhodosporidium toruloides NCYC 921 (anamorfo de Rhodotorula glutinis) foi cultivada num bioreactor de 7 L com um volume de trabalho de 5 L num sistema semi-contínuo com o objetivo de se otimizar a produção de ácidos gordos (para a produção de biodiesel) e de carotenóides. A estratégia geral de cultivo consistiu em dois passos distintos. Numa primeira fase, após o desenvolvimento da cultura de levedura em regime descontínuo, uma solução de nutrientes foi fornecida de modo a prolongar a fase de crescimento da levedura. Na segunda fase, assim que a levedura atingiu a fase estacionária, a solução de alimentação foi substituída por uma solução de glucose concentrada (600 g.L-1) para induzir a síntese de materiais de reserva intracelulares, tais como lípidos e carotenóides. Foram realizados quatro ensaios no total. Cada ensaio durou, em média, uma semana, tendo sido recolhidas, pelo menos, três amostras por dia. Para cada amostra, foram analisados vários parâmetros incluindo a estimativa da concentração de glucose residual por meio de um teste qualitativo utilizando tiras de medição da concentração de glucose, valor de pH e a leitura da absorvência a um comprimento de onda de 600 nm. Outros métodos analíticos incluíram a determinação da concentração de azoto e glucose residuais, teor de lípidos totais e teor e composição em ácidos gordos. A primeira e últimas amostras recolhidas a cada dia também foram analisadas por citometria de fluxo, com o objetivo de detetar, em tempo real, o teor de carotenoides totais, assim como a viabilidade celular analisando a integridade da membrana citoplasmática e o potencial da membrana mitocondrial em simultâneo por medição da fluorescência emitida por células de levedura duplamente coradas com os fluorocromos iodeto de propídio e 3,3’-dihexiloxacarbocianina [DiOC6 (3)], respectivamente. Os dois primeiros ensaios foram realizados a valores de pH constantes. O primeiro foi realizado a pH 5,5, enquanto o pH no segundo ensaio foi alterado para 4,0 com o objetivo de melhorar a produtividade de biomassa e a produtividade em ácidos gordos. A alteração de pH no ensaio II resultou num aumento de 23,08% na concentração máxima de biomassa (119,61 g.L-1) e um aumento de 10,23% da produtividade máxima de biomassa (1,76 g.L-1) em comparação com o ensaio I. No entanto, o teor em ácidos gordos, percentagem total de lipídios e concentração de carotenóides no ensaio II foram menores do que no ensaio I devido a problemas associados à limitação de oxigénio. Para os ensaios III e IV, o pH do meio de cultura foi ajustado a 4,0 durante a fase de crescimento da levedura e, uma vez que a cultura atingiu a fase estacionária, foi novamente ajustado para a 5,0 para promover a acumulação de produtos lipídicos de armazenamento, tais como os carotenóides. A única diference entre os ensaios III e IV foi a utilização de uma turbina adicional adaptada ao eixo do rotor do bioreactor para o ensaio IV, de modo a garantir uma transferência de oxigénio mais eficiente no meio de cultura. O ensaio IV foi o que apresentou os resultados mais satisfatórios, obtendo-se valores mais elevados da concentração de biomassa (154,21 g.L-1), produtividade de biomassa (2,35 g.L-1.h-1), produtividade de ácidos gordos (0,40 g.L-1.h-1), produtividade de carotenóides (0,29 g.L-1.h-1) teor total de carotenóides (0,29 mg.g-1) e percentagem de lípidos totais (41,07%) face aos restantes ensaios.
Author: João Caldeira
Language: English
Field: Energy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2211678979