L-lactic acid production process development obtained from sugars fermentation : kinetic data obtaining and separation processes evaluation

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Rubens Maciel FilhoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: O uso de substratos alternativos em fermentações biotecnológicas é uma alternativa viável em substituição àqueles provenientes de fontes não-renováveis. O melaço é um exemplo e pode ser usado para produzir L-ácido láctico o qual tem se mostrado promissor na síntese de poli-L-ácido láctico (PLLA) para aplicação na área médica. Para este trabalho, três bactérias produtoras de L-ácido láctico e consumidoras de melaço foram selecionadas na literatura para ensaios em shaker: Lactobacillus (L.) rhamnosus ATCC 7469, L. rhamnosus ATCC 10863 e L. delbrueckii ATCC 9649. Por meio de um planejamento fatorial 23 do tipo estrela, foi selecionada a bactéria que mais produziu L-ácido láctico, a L. rhamnosus ATCC 10863 com produção de 16,5 g/L. As condições de operação foram temperatura de 43? C e concentração de sacarose (açúcar com maior porcentagem no melaço) e de extrato de levedura de 27,6 g/L e 3,0 g/L, respectivamente. O comportamento dos açúcares mostrou que a glicose e frutose foram praticamente totalmente consumidos, enquanto a sacarose foi pouco consumida. Em biorreator, aquela mesma cepa com as condições de operação mencionadas, além de pH 5,0, foi usada em dois processos fermentativos de batelada alimentada (processos 1 e 2) e dois de batelada (processos 3 e 4) com o melaço sem pré-tratamento (virgem). Dentre estes processos, a sacarose ainda foi pouco convertida, atingindo no máximo 22,5 % no processo de batelada alimentada 1. Neste mesmo processo, o máximo de frutose foi convertido, 98,4%, e o máximo de conversão da glicose foi no processo de batelada 4, 91,7 %. O pico máximo de L-ácido láctico produzido foi no processo de batelada alimentada 2, 22,0 g/L. Logo, posteriormente, foi realizado outro processo fermentativo de batelada (processo 5) com pré-tratamento do melaço, a hidrólise da sacarose em glicose e frutose utilizando a enzima invertase, resultando em praticamente 100 %. No processo fermentativo 5, a glicose foi convertida em 98,2 % e a frutose em 99,3 % e foram gerados 35,5 g/L de ácido láctico (pico máximo). A produtividade máxima foi de 2,0 g/Lh, o crescimento da biomassa foi de 5,0 g/L, o rendimento foi de 97,5 % e foram detectados 98,5 % do isômero L(+) do ácido láctico no caldo da fermentação ao final do processo. Portanto, este processo foi identificado como o "ótimo" deste trabalho. Em seguida, o processo de separação do L-ácido láctico foi feito no equipamento de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) com coletor de frações. Foi usada a coluna semi-preparativa ZORBAX Eclipse XDB-C18 para separar o L-ácido láctico de todos os outros componentes restantes no caldo da fermentação, porém o ácido acético presente na solução enzimática anteriormente usada foi também coletado no mesmo tempo. Após, foi usada a coluna analítica Aminex HPX-87H que isolou e coletou o L-ácido láctico, obtendo 11 ml de solução de fase móvel e ácido diluído, com taxa de recuperação de 53,0 %. A título de demonstração de viabilidade de uso desta técnica para separar o L-ácido láctico proveniente de fermentação, esta metodologia foi válidaAbstract: The use of alternative substrates in biotechnological fermentations is a viable alternative to substitute those derived from non-renewable sources. The molasses is an example and can be used to produce L-lactic acid that has shown to be promising to produce poly-L-lactic acid (PLLA) for application in medical field. For this work, three L-lactic acid producing bacteria and also molasses consumers were selected from literature for shaker trials: Lactobacillus (L.) rhamnosus ATCC 7469, L. rhamnosus ATCC 10863 and L. delbrueckii ATCC 9649. Through a star configuration 23 experimental planning, the bacterium that produced more L-lactic acid was selected, which was the L. rhamnosus ATCC 10863, producing 16.5 g/L. The operation conditions were 43? C as temperature and concentrations of 27.6 g/L of sucrose (sugar with higher percentage at molasses) and 3.0 g/L of yeast extract, respectively. The sugars behavior showed that glucose and fructose were basically completely consumed while sucrose was barely consumed. At bioreactor, that bacterium with the operation conditions just mentioned, besides the pH 5.0, was used at two fed batch fermentation processes (processes 1 and 2) and two batch fermentation processes (processes 3 and 4) with the molasses without pre-treatment (virgin). Among these processes, the sucrose was still scarcely consumed, reaching the maximum of 22.5 % at fed batch process 1. At this same process, the maximum of fructose was converted, 98.4 %, and the maximum of glucose converted was at batch process 4, 91.7 %, The maximum peak of L-lactic acid produced was at fed batch process 2, 22.0 g/L. Thus, after, it was performed another batch fermentation process (process 5) with molasses pre-treatment, the sucrose hydrolysis into glucose and fructose using the enzyme invertase, resulting in 100 %. At fermentative process 5, the glucose was converted in 98.2 % and fructose in 99.3 %, generating 35.5 g/L of L-lactic acid (maximum peak). The maximum productivity was 2.0 g/Lh, the biomass growth was 5.0 g/L, the yield was 97.5 % and it was detected 98.5 % of the isomer L(+) of lactic acid at fermentation broth at the end of process. Therefore, this process was identified as the "optimum" of this work. Afterwards, the L-lactic acid separation process was done at the high performance liquid chromatography (HPLC) equipment with fraction collector. It was used the semi-preparative column ZORBAX Eclipse XDB-C18 to separate the L-lactic acid from all components remained at fermentation broth, but the acetic acid at the enzymatic solution previously used was collected at the same time. Subsequently, it was used the analytical column Aminex HPX-87H that isolated and collected the L-lactic acid, obtaining 11 mL of solution of mobile phase and diluted acid, with recovery rate of 53.0 %. Intending to demonstrate the viability of use of this technique to separate L-lactic acid from fermentation, this methodology was validDoutoradoDesenvolvimento de Processos QuímicosDoutora em Engenharia Quimica2011/11742-2FAPES