Produção biotecnológia de ácido itacônico por diferentes metodologias de fermentação utilizando o fungo filamentoso Aspergillus terreus

Orientador : Prof. Dr. Julio Cesar de CarvalhoCo-orientadora : Profª. Drª. Luciana Porto de Souza VandenbergheDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa: Curitiba, 03/03/2015Inclui referências : f. 96-100Área de concentração: Agroindústria e biocombustiveisResumo: O ácido itacônico (AI) ou ácido metilsuccínico é um composto orgânico de alto potencial na indústria química e considerado uma das moléculas mais promissoras para sua implementação como bio-building block ou bioproduto químico de base. Esse ácido carboxílico insaturado apresenta um amplo espectro de aplicações na síntese de novos polímeros, aditivos para óleos, super-absorventes, nanofibras, resinas sintéticas e produtos relacionados. De acordo com o US Department of Energy (2010), o ácido itacônico é considerado um dos 12 candidatos com maior potencial para ser gerado de maneira sustentável a partir de biomassa por meio de processos biotecnológicos. Com um preço final próximo aos US$ 2/kg, o AI apresenta um volume de mercado de aproximadamente 80 000 toneladas/ano, sendo que o eventual incremento da produção depende da possibilidade de aperfeiçoar a tecnologia existente e o entendimento relacionado aos fatores chave do processo produtivo. O presente trabalho teve por objetivo implementar um processo fermentativo eficiente para síntese de AI, avaliando diferentes substratos, condições e tipos de sistema de cultivo. Em uma etapa inicial foi cultivado o fungo filamentoso Aspergillus terreus em sistema de fermentação submersa em escala laboratorial, empregando meio sintético com 100 g/L de sacarose comercial como fonte de carbono. Adicionalmente, foi realizada a otimização do processo de produção de inóculo, identificando o parâmetro pH como um fator determinante no desenvolvimento de uma morfologia específica que permite maximizar o intercâmbio gasoso e de nutrientes, além da produção de AI. As condições de cultura e composição do meio de cultivo definido permitiram estabelecer um processo que atinge 49,9 g/L de produto com um rendimento de 0,55 g de AI por grama de substrato consumido e uma produtividade volumétrica horária de 0,25 g/L h. Em uma segunda etapa, foi avaliada a produção de AI empregando extratos aquosos de substratos complexos em condições pré-definidas para fermentação submersa e matérias primas in natura para testes de fermentação em estado sólido. No caso dos extratos aquosos, o melhor tratamento foi observado utilizando extrato de polpa cítrica com suplementação de sacarose comercial. Este tratamento atingiu 27,05 g/L de AI, rendimento Yp/s de 0,29 g de produto / g substrato e produtividade horária de 0,188 g/L h. Finalmente, a fermentação em estado sólido demostrou ser pouco viável devido a condições próprias do processo, como altos requerimentos de aeração e necessidade de concentrações mínimas de fósforo para limitação do crescimento da biomassa. Conclui-se que no presente trabalho foi estabelecida uma metodologia escalonável para obtenção de um produto com grande potencial na indústria química. Palavras-chave: ácido itacônico, ácido metilsuccínico, biopolímeros, Aspergillus terreus, fermentação submersa, fermentação em estado sólido.Abstract: Itaconic acid (IA) or methylsuccinic acid is an organic compound of high potential in the chemical industry and it is considered one of the most promising molecules for implementation as bio-building block or base chemical. This unsaturated carboxylic acid has a wide range of applications in the synthesis of new polymers, additives for oils, superabsorbents, nanofibers, synthetic resins and related products. According to the US Department of Energy (2010), itaconic acid is considered one of the 12 candidates with the greatest potential to be sustainably generated from biomass through biotechnological processes. With a final price close to US$ 2/kg, IA has a worldwide market volume of approximately 80,000 tons/year and the eventual production increase depends on the possibility to enhancing the existing technology, as well as understanding the key factors for the productive process. This study aimed to implement an efficient fermentation process for itaconic acid synthesis, evaluating different substrates, conditions and types of culture systems. At an initial stage the filamentous fungus Aspergillus terreus was cultivated in a submerged fermentation system on a laboratory scale, using a synthetic medium with 100 g/L of commercial sucrose as a carbon source. Additionally, optimization for inoculum production was carried out by identifying the pH parameter as a determining factor in the development of a specific morphology that maximizes the gas exchange and nutrients, overall enhancing the IA production. The definition of culture conditions and medium composition allowed us to establish a process that reached 49.9 g/L of product with a yield of 0.55 g of itaconic acid per gram of substrate consumed, and an average volumetric productivity of 0.25 g/L h. In a second stage, itaconic acid production was assessed using aqueous extracts of complex substrates on predefined conditions for submerged fermentation and raw materials in natura for solid-state fermentation. In the case of aqueous extracts, the best treatment was observed using citrus pulp extract, with commercial sucrose supplementation. This treatment reached 27.05 g/L of IA, with an Yp/s of 0.29 g/g, with an average productivity of 0.188 g/L h. Finally, the solid-state fermentation has shown to be impractical due to inherent process conditions such as high aeration requirements and the probable need of low phosphorus concentrations to limit the biomass growth. In conclusion, the present study established a scalable methodology for obtaining a product with great potential in the chemical industry. Key-words: itaconic acid, methylene succinic acid, biopolymers, Aspergillus terreus, submerse fermentation, solid-state fermentation