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Uso de biorreatores para otimização da produção de Ácido Lático
biorreator,ácido lático
CONTEXTO E APLICAÇÕES
O
mercado de ácido lático tem enfrentado uma alta demanda nos últimos anos devido
às suas diversas aplicações. Dentre elas, tem sido tradicionalmente usado na indústria
de alimentos, para controle de pH, conservação e potencialização de sabor
como em balas e refrigerantes, sendo considerado seguro para uso pela FDA (Wee
et al., 2006). Na indústria
farmacêutica é usado em cremes e pomadas (Babilas et al., 2012) e na área
médica, o ácido lático combinado com polímeros e sais tem demonstrado atividade
anti-tumor (Jeong et al, 2016; Alsaheb et al, 2015). Porém nos últimos anos, o
monômero para a produção de PLA (poli-ácido lático) tem ganho alta visibilidade
por serem bioabsorvíveis e pode ser usado na produção de
embalagens alimentícias e sacolas biodegradáveis (Athanasoulia, 2018).
Devido
à crescente preocupação com o meio ambiente e aos contínuos esforços para
diminuir o custo de produção do ácido lático, alternativas para produção à
partir de fontes renováveis, como o uso de biomassa vegetal ou resíduos
agroindustriais estão sendo estudados por várias empresas e pesquisadores.
Atualmente, substratos lignocelulósicos são vistos como a melhor alternativa
para substituir a glicose de primeira geração e produção de diversos
bioprodutos, tais como o ácido lático (Oliveira et al., 2018).
FERMENTAÇÃO E PRODUÇÃO
O
ácido lático pode ser produzido através de fermentação ou síntese química,
porém, a via fermentativa é o método mais utilizado industrialmente e
representa em torno de 90% da produção (Hofvendahl e Hahn-Hiigerdal, 2000). Se
trata de um processo biológico, sustentável com menos custos e permite a obtenção
do isômero puro (D ou L-ácido lático) para produção de PLA (Pal et al., 2009).
No
processo fermentativo, a produção de ácido lático por bactérias pode sofrer
grandes variações dependendo principalmente do meio de cultivo (nutrientes),
espécies de microrganismo e das condições de processo.
Diversos
meios de cultura têm sido estudados e utilizados como fonte de
carboidratos e fonte de nitrogênio para otimizar o ganho de biomassa celular e
produção de ácido lático pela via fermentativa, entre eles, biomassas lignocelulósica
hidrolisada (Abdel-Rhaman et al., 2015), melaço de cana de açúcar (Coelho et
al., 2011), água de maceração de milho (Cunha, 2016) e resíduos da indústria cervejeira
(Mussatto et al., 2008) como substrato principal. O permeado de soro de leite
(Domingues et al., 1999), peptona, extrato de levedura (Oliveira et al., 2018),
ureia e sulfato de amônio, podem ser utilizados como fonte de aminoácidos e
vitaminas. Além disso, estes suplementos nitrogenados também auxiliam na
resistência e tolerância osmótica em meios contendo elevadas concentrações de
glicose (Ge et al.,2010).
As
principais bactérias
láticas são Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus, Enterococcus
Lactobacillus, entre outros gêneros de menor expressão (Todar, 2012). Lactobacillus é o gênero mais conhecido e com
maior número de espécies que se destacam na produção industrial de ácido lático
apresentando bons rendimentos (Dellaglio et al., 2007 e Oliveira et al.,
2018a).
As
bactérias láticas (BAL) não possuem a capacidade de sintetizar ATP, e com isso,
inicialmente elas degradam a glicose em piruvato, que depois é metabolizado em
diferentes compostos, conforme o tipo de fermentação. As fermentações podem ser homofermentativas, através
da via glicolítica ou heterofermentativas, através da via fosfogliconato (John,
Nampoothiri, Pandey, 2007; Hahn-Hagerdal e hofvendahl, 2000; Reddy et al., 2008).
Na via
homofermentativa, o piruvato é convertido em ácido lático e nesse processo um
mol de glicose gera dois mols de ácido lático (Abdel-Rhaman et al., 2013),
enquanto na via heterofermentativa, produz quantidades equimolares de ácido
lático e além deste composto, pode-se obter CO2, etanol e/ou acetato, variando
conforme a escolha das BAL e a fonte de carbono utilizada (Todar, 2012b; Tan et
al., 2017; Guo et al., 2014).
Por
fim, as condições e controle de processo irão determinar a eficiência e
produtividade. A temperatura tem grande influência na produção de ácido lático,
pois influencia o crescimento e as atividades metabólicas das bactérias (Gao et
al., 2018).
O controle do pH ideal,
conforme a espécie, é capaz de multiplicar a produção de ácido lático em mais
que o dobro. (Mussatto et al., 2008). Além disso, sistemas de cultivo em modo
contínuo aliado à estratégia de alimentação de nutrientes e uso de agentes neutralizantes
no processo, podem reduzir o efeito inibitório da acidez do meio e otimizar a
produção de ácido lático. (Tian et al., 2014a; Abdel-Rhaman e Sonomoto., 2016;
López-Gómez et al., 2019).
Os
equipamentos utilizados devem garantir fermentações controladas, sem
contaminação e mecanismos de alimentação e amostragem segura e asséptica. Os biorreatores Tecnal são
desenvolvidos e fabricados para automatizar os processos fermentativos, seja em
modo de batelada, alimentado ou contínuo, sendo responsável por controlar diversos
parâmetros como por exemplo pH, espuma, pressão, temperatura, agitação e manter
o meio de cultivo em anaerobiose ou aerobiose conforme a exigência do M.O ou
cepa utilizada.
EQUIPAMENTOS INDICADOS:
Biorreator / Fermentador TECNAL modelo BIO-TEC-1,5V com torre de controle, modelo BIO-TEC-PRO-II ou TEC-BIO-FLEX-II
EQUIPAMENTOS COMPLEMENTARES:
Analisador Bioquímico YSI, modelo YSI-2900ou 2950
Análises: Lactato/Ácido Lático, Glicose, Sacarose e Etanol.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A
produção de ácido lático depende principalmente de fatores biológicos,
nutricionais e das condições de processo. O rendimento da produção pode ser
otimizado conforme a metodologia aplicada no processo e quando as exigências do
cultivo são precisamente controladas.
O uso
do biorreator TECNAL permitiu conduzir o cultivo em sistema de batelada
alimentada, através da adição programada de soluções e nutrientes em modo
temporizado e com dosagem de volume específico, conforme o monitoramento da
biomassa celular. Os principais requisitos como pH e temperatura foram definidos
no software de controle com uma precisão de 0,10 de histerese e 0,1°C
respectivamente, mantendo a faixa ideal para os microrganismos durante toda a
fermentação. A agitação constante em baixas rotações proporcionou pouca
oxigenação do cultivo e pouca geração de espuma, ideal para cultivos em
anaerobiose , além de garantir a homogeneidade do meio e a interação da
biomassa celular com a disponibilidade de nutrientes.
O Biorreator TECNAL de 1,5L, modelo BIO-TEC-1,5 mostrou-se robusto e eficiente para esta aplicação, cumprindo todos os parâmetros definidos que podem otimizar a produção de ácido lático à nível de pesquisa e desenvolvimento do processo.
SOBRE
A TECNAL
A
Tecnal tem como missão contribuir para o desenvolvimento científico,
tecnológico e com a indústria nacional e internacional por meio da fabricação e
da comercialização de equipamentos científicos, da prestação serviços
especializados e da disseminação do conhecimento.
A
empresa busca crescer de maneira inovadora e sustentável, focada na
continuidade e na excelência operacional, de forma a tornar-se uma referência
no mercado brasileiro e internacional de equipamentos científicos. Fale conosco:
pelo Telefone/WhatsApp (19) 2105-6161, e-mail contato@tecnal.com.br ou pelo
site clicando aqui.
REFERÊNCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
ABDEL-RHAMAN, MA; SONOMOTO, K; Opportunities to overcome the current limitations and challenges for efficient microbial production of optically pure lactic acid. Journal of Biotechnology, v. 236, p. 176-192, Outubro 2016.
Abdel-Rhaman, MA; Tashiro, Y; Sonomoto, K; Recent advances in lactic acid production by microbial fermentation processes. Biotechnology Advances. v. 31, n. 6, Novembro 2013, p. 877-902
Abdel-Rhaman, MA; Xiao, Y;
Tashiro, Y; Wang, Y; Zendo, T; Sakai, K; Sonomoto, K; Fedbatch fermentation for enhanced lactic acid
production from glucose/xylose mixture without carbon catabolite repression.
Journal of Bioscience and Bioengineering. v.119, n.2, Fevereiro 2015, p.
153-158.
Alsaheb, RAA; Aladdin, A;
Othman, NZ; Malek, RA;
Lactic acid applications in pharmaceutical and cosmeceutical industries.
Journal of Chemical and Pharmaceutical Research.v.7, n.10, p. 729-735. Outubro
2015.
Athanasoulia, IG;
Mikropoulou, M; Karapati, S; Tarantili, P; Trapalis, C. Study of thermomechanical and antibacterial
properties of TiO2 /Poly(lactic acid) nanocomposites. Materialstoday:
proceedings, v.5, n. 14, parte 1, p. 27553-27562, 2018.
Babilas, P; Knie, U; Abels,
C; Cosmetic and dermatologic use of
alpha hydroxy acids. Journal der Deutschen Dermatologischen Gesellschaft, v.
10, n. 7. Maio 2012.
Coelho, LF; de Lima, CJB;
Rodovalho, CM; Bernardo, MP; Contiero, J. 2011, Lactic acid production by new Lactobacillus
plantarum lmism6 grown in molasses: optimization of medium composition.
Brazilian Journal of Chemical Engineering. v. 28, n.1, São Paulo, Janeiro/Março
2011.
CUNHA,
MC. Produção De L(+)-Ácido Lático A Partir De Subprodutos Agroindustriais Por Lactobacillus
rhamnosus ATCC 9595. 2016. 141f. Dissertação de Mestrado. Universidade
Federal de Lavras, Lavras. 2016.
DELLAGLIO, F. & FELIS, G. E. Taxonomy of
lactobacilli and bifidobacteria. Curr. Issues Intest Microbiol Norfolk, UK:
Caister Academic Press. p. 44-61 2007.
DOMINGUES,
L.; LIMA, N.; TEIXEIRA, J. A. “Novas metodologias para a fermentação alcoólica
do soro de queijo”. In: Conferência Nacional sobre a qualidade do Ambiente, 6,
Lisboa, 1999 - "Actas da 6.ª Conferência Nacional sobre a Qualidade do
Ambiente". Lisboa:
Universidade Nova de Lisboa, 1999. vol. 3, p. 271-280
GAO, M; WANG, J; XU, Z; ZHANG, W; WU, C; WANG, Q.
Product of Lactic Acid from Soybean Straw using immobilized lactobacillus casei
and batch or repeated-batch fermentation. Bioresources.v.13, n.3, p.6722-6735.
Julho 2018.
GE,
XY; YUAN, J; QIN, H; ZHANG, WG. Improvement
of L-lactic acid production by osmotictolerant mutant of Lactobacillus casei at
high temperature. Appl Microbiol Biotechnol. v. 89, n. 1. p. 73-78 Setembro
2010.
GUO W.; HE, R; MA, L; JIA, W; LI, D; CHEN, S; 2014,
Construction of a constitutively expressed homo-fermentative pathway in
Lactobacillus brevis. Appl Microbiol Biotechnol, v. 98, n. 15 p.6641-6650,
Abril 2014.
HAHN-HAGËRDAL, B; HOFVENDAHL, K. Factors affecting the
fermentative lactic acid production from renewable resources. Enzyme and
Microbial Technology, v. 26, p. 87-1007, 2000.
HOFVENDAHL, K. AND HAHN-HIIGERDAL, B.: Factors
affecting the fermentative lactic acid production from renewable resources. Enz.
Microbial. Technol. v.26 n. 2-4, p. 87-107 Fevereiro 2000.
JEONG,
KY; MANDER, P; SIM, JJ. KIM,
HM. Combination of lactate calcium salt with 5- indanesulfonamide and α-cyano-4-hydroxycinnamic acid to enhance the antitumor
effect on HCT116 cells via intracellular acidification. Oncology Letters. v.11,
n.3, p.1866-1872, Março 2016.
JOHN, R. P; NAMPOOTHIRI, K. M; PANDEY, A. Fermentative
production of lactic acid from biomass: an overview on process developments and
future perspectives. Applied Microbiology Biotechnology, v. 74, p. 524-534,
2007.
LÓPEZ-GÓMEZ, JP; ALEXANDRI, M; SCHNEIDER, R; VENUS, J.
A review on the current developments in continuous lactic acidfermentations and
case studies utilising inexpensive raw materials. Process
Biochemistry, v.79, p.1-10, Abril 2019.
MUSSATTO,
SI; FERNANDES, M; MANCILHA, IM; ROBERTO, IC. Effects of medium supplementation and pH control on
lactic acid production from brewer’s spent grain. Biochemical Engineering
Journal, v.40, n. 3, p. 437-444, Julho 2008
OLIVEIRA, R.A, KOMESU, A., ROSSELL, C.E.V. FILHO,
R.M., Challenges and opportunities in lactic acid bioprocess design—From economic
to production aspects. Biochemical Engineering Journal v.133, n.15 p. 219-239,
Maio 2018a.
OLIVEIRA, RA; ROSSELL, CEV; LUNELLI, BH; SCHICHI, POM;
VENUS, J; FILHO, RM. 2018a, Different Strategies To Improve Lactic Acid
Productivity Based on Microorganism Physiology and Optimum Operating
Conditions. Industrial & Engineering Chemistry Research, v.57, n.31, p.
10117-10125, Julho 2018.
PAL, P; SIKDER, J; ROY, S; GIORNO, L; Process
intensification in lactic acid production: A review of membrane based
processes. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. v. 48,
n. 11-12, Nov. 2009, p. 1549-1559.
REDDY, G.; ALTAF, M.; NAVEENA, B. J.; VENKATESHWAR,
M.; KUMAR, E. V. Amylolytic bacterial lactic acid fermentation. Biotechnology
Advances, v.26, p. 22- 34, 2008.
TAN, J.; ABDEL-RAHMAN, M.A.; SONOMOTO, K. Biorefinery-Based
Lactic Acid Fermentation: Microbial Production of Pure Monomer Product. In: Di
Lorenzo M., Androsch R. (eds) Synthesis, Structure and Properties of
Poly(lactic acid). Advances in
Polymer Science, vol 279. Springer 2017 Cham p. 27-66.
TIAN, X; WANG, Y; CHU, J; ZHUANG, Y; ZHANG, S. L-Lactic
acid production benefits from reduction of environmental osmotic stress through
neutralizing agent combination. Bioprocess and Biosystems Engineering, v. 37,
n. 9, p. 1917-1923, Setembro 2014a.
TODAR,
Todar’s Online Textbook of Bacteriology, Disponível em <https://textbookofbacteriology.net/lactics.html
> Acesso em 2020.
WEE, YJ; KIM, JN; RYU, HW. Biotechnological Production
of Lactic Acid and Its Recent Applications. Food Technol. Biotechnol.
v.44, n.2, p.163–172, Abril 2006ª