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Consultar: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

Título [PT]: Biotransformação do glicerol - subproduto da produção de biodiesel
Título [EN]: Biotransformation of glycerol - byproduct of biodiesel prodution.
Autor(es): Miguel Angel Aparicio Rodríguez
Palavras-chave [PT]:

Fermentação. Glicerol. Klebsiella oxytoca. 1,3-propanodiol. Biodiesel. Brasil.

Fermentation. Glycerol. Klebsiella oxytoca. 1,3-propanediol. Biodiesel. Brazil.

Flávio Faria de Moraes [Orientador] - UEM Gisella Maria Zanin - UEM Jonas Contiero - ISRN Biotechnology Jose Gregorio Cabrera Gomez - USP José Eduardo Olivro - UEM Benício Alves de Abreu Filho - UEM

Resumo: A crescente meta de aumento da produção nacional do biodiesel acarretará a geração de uma quantidade cada vez maior de glicerol, subproduto deste processo, com consequente desvalorização do seu preço no mercado nacional e aumento da necessidade de novas rotas de aplicação deste material. Assim, se propôs nesta tese, o estudo do metabolismo microbiano do glicerol e das principais variáveis que o afetam, e adicionalmente, o isolamento de uma bactéria com potencial de transformação desta matéria-prima, em produtos de maior valor comercial. Uma cepa foi isolada a partir de amostras de solo, inoculando-a em meios cuja fonte de carbono era o glicerol padrão PA. A formulação dos meios de isolamento e das condições de fermentação foi bem fundamentada, a partir de uma análise teórica de diversos estudos disponíveis na literatura, sobre a degradação fermentativa de glicerol. A bactéria isolada foi identificada por meio de ensaios bioquímicos como Klebsiella oxytoca. Os dados indicaram que o crescimento bacteriano e o consumo de glicerol foram favorecidos em pH 7,4, com ureia como fonte de nitrogênio e baixa concentração inicial de substrato (12,6 g L-1). Nestas condições, para um tempo de reação de 48 h, o consumo de glicerol atingiu 99,77 %. Quando altas concentrações de substrato (75,6 g L-1) foram utilizadas, o melhor resultado em termos de consumo de glicerol (69,83%) foi obtido para os ensaios com ausência de triptona, uso de tioglicolato como agente redutor de oxigênio e elevada concentração de ureia (4,9 g L-1). Os ensaios também mostraram que a adição de triptona (2,0 g L-1) somente teve efeito positivo quando a concentração de ureia no meio foi baixa (1,5 g L-1). Os principais produtos formados foram 1,3-propanodiol, formato, 2,3-butanodiol, lactato e acetato, sendo produzidas quantidades muito pequenas de etanol. A maior velocidade de produção de 1,3-propanodiol ocorreu durante a fase logarítmica de crescimento, tanto para glicerol PA (5,67 mmol L-1 h-1), quanto para glicerina bruta (5,28 mmol L-1 h-1). A análise do perfil de produtos mostrou que ao se retirar os gases formados pela fermentação houve um aumento na produção de etanol. Entretanto, quando o CO2 e H2 não foram retirados do meio fermentativo, a produção de etanol foi baixa (0,15 g L-1). A degradação de formato está ligada ao processo de regeneração de NADH. Contudo, o mecanismo de consumo do hidrogênio formado a partir do formato não foi completamente esclarecido. Este mecanismo funciona como uma alternativa de manutenção do equilíbrio de redox do sistema e foi mais ativo na etapa final da fase logarítmica de crescimento ou na fase estacionária. O rendimento de 1,3-propanodiol obtido a partir de 75,6 g L-1 de glicerol e da cepa isolada foi igual a 42,90 % e 39,60 %, para glicerol padrão PA e glicerina bruta, respectivamente. Estes resultados são muito próximos daqueles determinados para outras cepas de K. oxytoca e K. pneumoniae encontradas na literatura, o que valoriza a cepa selecionada. Durante a fermentação do glicerol, o desequilíbrio entre as reações dos ramos oxidativo e redutivo do metabolismo, conduzem ao acúmulo de 3-hidroxipropanaldeído e a interrupção do crescimento bacteriano. Este fenômeno se deve provavelmente a uma elevada atividade in vivo da enzima glicerol-desidratase, quando comparada às outras enzimas do metabolismo anaeróbio do glicerol, sob as condições experimentais utilizadas. Os dados também indicaram que este desequilíbrio pode ser diminuído pela manutenção de condições microaeróbias no meio fermentativo. O mecanismo de regeneração de NADH presente na bactéria Klebsiella oxytoca parece não estar restrito a uma única direção de fluxo desta conversão (formação das formas reduzida ou oxidada do NAD), porque nas reações catalisadas pelas enzimas glicerol-desidrogenase (ramo oxidativo) e enzima 1,3 propanodiol-desidrogenase (ramo redutivo), o microrganismo consumiu H2 parcialmente para regenerar NADH. Esta parece ser uma alternativa metabólica de compensação para estabilizar ou diminuir a concentração de 3-hidroxipropanaldeído. Abstract: The increasing goal for escalating the national production of biodiesel will result in the generation of an increasing amount of glycerol, a byproduct of this process, with the consequent devaluation of its price in the domestic market and increased need for new routes of application of this material. Thus, we proposed in this thesis, the study of the microbial metabolism of glycerol and the main variables affecting it, and additionally, the isolation of a bacterium which can potentially transform this raw material into products of higher commercial value. A strain was isolated from soil samples, inoculating it with media whose carbon source was glycerol standard PA. The formulation of the isolation media and fermentation conditions was well-founded on a theoretical analysis of several studies on the degradation of glycerol by fermentation, available in the literature. The isolated bacterium was identified by biochemical tests as Klebsiella oxytoca. The data indicated that bacterial growth and glycerol consumption were favored at pH 7.4, with urea as nitrogen source and low initial substrate concentration (12.6 g L-1). Under these conditions, for a reaction time of 48 h, the glycerol consumption reached 99.77%. When high concentrations of substrate (75.6 g L-1) were used, the best result in terms of consumption of glycerol (69.83%) was obtained for tests with the absence of tryptone, using thioglycollate as an oxygen reducing agent and high urea concentration (4.9 g L-1). The tests also showed that the addition of tryptone (2.0 g L-1) had a positive effect only when the urea concentration in the medium was low (1.5 g L-1). The main products formed were 1,3-propanediol, formate, 2,3-butanediol, lactate and acetate being produced very small amounts of ethanol. The highest rate of production of 1,3-propanediol occurred during the logarithmic phase of growth for both PA glycerol (5.67 mmol L-1 h-1) and for crude glycerin (5.28 mmol L-1 h-1). The product profile analysis showed that as the gases formed by fermentation were removed there was an increase in the ethanol production. However, when CO2 and H2 were not taken from the fermentative broth, production of ethanol was low (0.15 g L-1). The degradation of formate is linked to the process of regeneration of NADH. However, the mechanism of consumption of hydrogen formed from formate has not been completely explained. This mechanism serves as an alternative to maintaining the redox balance of the system and was more active in the final stage of the logarithmic growth phase or stationary phase. The yield of 1,3-propanediol derived from 75,6 g L-1 of glycerol and the isolated strain was equal to 42.90% and 39.60% for standard PA glycerol and crude glycerin, respectively. These results are very close to those determined for other strains of K. oxytoca and K. pneumoniae found in the literature, which values the selected strain. During fermentation of glycerol the imbalance between the reactions of the oxidative and reductive branches of metabolism leads to accumulation of 3-hydroxypropionaldehyde and cessation of bacterial growth. This phenomenon is probably due to a high in vivo activity of the enzyme glycerol-dehydratase, when compared to other enzymes of the anaerobic metabolism of glycerol under our experimental conditions. The data also indicated that this imbalance can be reduced by maintaining microaerobic conditions in the fermentation media. The mechanism of regeneration of NADH present in the bacterium Klebsiella oxytoca seems not to be restricted to a single direction of this conversion (formation of reduced or oxidized forms of NAD), because the enzyme reactions catalyzed by the enzyme glycerol dehydrogenase (oxidative branch) and an the enzyme 1,3-propanediol dehydrogenase (reductive branch) indicated that the microorganism consumed H2 partially to regenerate NADH. This seems to be an alternative metabolic compensation to stabilize or reduce the concentration of 3-hydroxypropionaldehyde.

Idioma: Português Data de Publicação: 2010 Local de Publicação: Maringá, PR Orientador: Prof. Dr. Flávio Faria de Moraes Co-Orientador: Prof.ª Dr.ª Gisella Maria Zanin Instituição: Universidade Estadual de Maringá. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Nível: Tese (doutorado em Engenharia Química)/ UEM: Departamento de Engenharia Química

Responsavel: beth
Categoria: Aplicação
Formato: Documento PDF
Arquivo: Tese_Miguel_versao_10.pdf
Tamanho: 2875 Kb (2943531 bytes)
Criado: 07-10-2013 16:40
Atualizado: 07-10-2013 16:45
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