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Departamento de Engenharia Química Relatório Final de Iniciação Científica Avaliação de melhores condições de oxigenação e agitação para a produção de óleos microbianos pela levedura Cryptococcus curvatus Período de 24/08/2015 a 23/08/2016 Aluno: Natalia Milan Nº USP: 9002565 Orientador: Prof. Dr. João Paulo Alves Silva Lorena 2016 2 RESUMO Há muito tempo o homem depende de combustíveis para saciar seus interesses, porém a forma com que a sociedade e o mercado enxergam os diferentes tipos de combustíveis muda com o passar do tempo. Na atualidade, combustíveis derivados do petróleo têm seus preços oscilantes, além de gerarem gases poluentes e serem uma fonte não renovável. Uma alternativa para atender à demanda é os biocombustíveis. Tradicionalmente, o biodiesel é produzido a partir de sementes oleaginosas ou gordura animal, porém há vantagens ao utilizar-se lipídeos derivados de microrganismos oleaginosos, principalmente quando a fonte de carbono para a fermentação é o glicerol, subproduto do biodiesel feito de sementes oleaginosas. Dentre essas vantagens estão: a não concorrência com terras para alimentos, o maior rendimento e o menor trabalho envolvido. Este trabalho tem como objetivo estudar e determinar a melhor condição de agitação e aeração da levedura Cryptococcus curvatus para a produção de lipídeos. Para isso foi utilizado um planejamento fatorial do tipo 2 2 no qual foi avaliado as variáveis agitação (nos níveis 150, 200, 250 rpm) e a razão dos volumes de frasco por volume de meio de cultura (razões de 1:5, 1:3,7 e 1:2,5, correspondendo, repetitivamente, a volumes de meio de 50, 66,7 e 100 mL em frascos de 250 mL). Como respostas do estudo foram avaliadas a quantidade de lipídeos produzidos, assim como o crescimento celular e o consumo de substrato. Nos ensaios realizados com diferentes agitações e razões de volume de frasco por volume de meio, verificou-se que o crescimento foi fortemente influenciado pela condição de fornecimento de oxigênio ao meio de cultivo, enquanto que o acúmulo de lipídeos foi baixo e oscilante. Dentro da faixa de variação avaliada, verificou-se que quanto maior a disponibilidade de oxigênio no meio, maior foi o crescimento celular, sendo alcançada na condição de maior aeração (250 rpm, e 50 mL de meio em frascos de 250 mL), uma concentração de cerca de 43,47 g/L de células, em 120 horas de cultivo. A análise estatística mostrou uma tendência que sugere um aumento nas concentrações de células para cultivos em maiores níveis de oxigenação, entretanto, devido a limitações físicas dos equipamentos, condições de maior agitação não puderam ser avaliadas em frascos agitados. Palavras-chave: biodiesel, leveduras oleaginosas, Cryptococcus curvatus, aeração, oxigenação, agitação. 3 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Conteúdo de lipídios de algumas leveduras oleaginosas. 14 Tabela 2 - Planejamento fatorial do tipo 2 2 , com triplicata no ponto central, para a avaliação do efeito da agitação/aeração na produção de lipídeos por leveduras. 18 Tabela 3 - Absorbâncias das suspensões celulares em diferentes diluições e suas concentrações. 20 Tabela 4 - Concentração de lipídeos e concentração celular em 120 horas de cultivo segundo o planejamento fatorial do tipo 2² para a avaliação aeração/agitação. 23 Tabela 5 - Análise da variância dos efeitos principais de interações dos fatores obre a concentração celular. 26 Tabela 6 - Análise da variância dos efeitos principais de interações dos fatores obre a concentração de lipídeos. 26 4 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Demanda mundial de energia desde 1990 até a previsão para 2035. 09 Figura 2 - Diferentes combustíveis e seus percentuais de uso desde 1990 até a previsão para 2035. 09 Figura 3 - Oferta Interna de Energia no Brasil em 2014. 10 Figura 4 - Curva de calibração e equação para levedura. 21 Figura 5 - Curva de calibração e equação para óleo de soja. 22 Figura 6 - Concentrações de biomassa e lipídeos obtidas nos cultivos realizados nas diferentes condições do planejamento exprimental. 24 Figura 7 - Gráfico de Pareto que expressa as estimativas dos efeitos padronizados e limite de significância estatística para as respostas produção de biomassa (A) e de lipídeos (B). 25 Figura 8 - Superfície de resposta que relaciona a produção de biomassa com a relação Vfrasco/Vmeio e agitação. 27 5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA 06 2 REVISÃO BIBLIOGÁFICA 08 2.1 Perspectiva mundial de consumo de combustíveis 08 2.2 Biocombustíveis 10 2.2.1 Etanol 11 2.2.2 Biodiesel 11 2.3 Microrganismos oleaginosos 12 2.3.1 Cryptococcus curvatus 14 2.4 Glicerol 14 3 OBJETIVOS 16 4 MATERIAS E MÉTODOS 17 4.1 Microrganismo e preparo do inoculo 17 4.2 Efeito da agitação/aeração no acúmulo de lipídeos 17 4.3 Metodologias analíticas 18 4.3.1 Determinação da concentração celular 18 4.3.2 Determinação de lipídios totais 19 4.4 Análise de resultados 19 5 RESULTADOS 20 5.1 Adequação de metodologias analíticas 20 5.1.1 Determinação da concentração celular 20 5.1.2 Determinação de lipídios 21 5.2 Avaliação das condição de aeração 22 5.3 Análise estatística dos resultados 24 6 CONCLUSÃO 28 REFERÊNCIAS 29 6 1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA A crescente demanda por combustíveis e a preocupação ambiental são fatores chaves para a busca constante por tecnologias que possam suprir as necessidades mundiais de energia de forma economicamente viável e ambientalmente correta. Osbiocombustíveis mostram-se como uma opção muito promissora, com ênfase no biodiesel, combustível este que pode ser obtido de diversas maneiras. Segundo Akasaka (2015), tradicionalmente o biodiesel é obtido da reação de transesterificação de óleos vegetais ou de gorduras animais em ésteres metílicos e glicerol na presença de metanol e com o auxílio de catalisadores homogêneos básicos. No entanto, Chisti (2007) realta em seu trabalho que seria necessário 24% da área cultivável dos Estados Unidos para atender a apenas 50% da demanda anual de combustíveis para transporte se o óleo de palma fosse utilizado para a produção de biocombustíveis. O trabalho foi feito com base nos dados de consumo de 2007, hoje o número seria na realidade ainda maior devido a alta da demanda. Além desse problema, outro mostra-se crucial no que se diz respeito à produção de biodiesel a partir de sementes oleaginosas: a concorrência com o mercado de alimentos. Como alternativa, o biodiesel oriundo de microrganismos presencia um crescente interesse devido ao seu maior rendimento e por não competir com a terra para produção de alimentos. Outra vantagem em utilizar microrganismos oleaginosos seria a possibilidade da obtenção de óleos pelo aproveitamento do glicerol residual da produção de biodiesel. De acordo com Bastos (2011), o glicerol é o principal coproduto da reação de transesterificação de trigliacilgliceróis para a produção de biodiesel, sendo que ele representa 10% do seu peso. Muitos microrganismos podem utilizar o glicerol como única fonte de carbono sob condições aeróbias ou anaeróbias para obtenção de energia, dentre eles destacam-se as algas e as leveduras. As últimas, segundo Aristizábal (2013), além de não precisarem de energia solar para a fotossíntese, apresentam outras vantagens quando comparadas às algas: os ácidos graxos produzidos por elas são altamente semelhante aos óleos vegetais, ou seja, podem ser usados para a produção de biodiesel; e sua parede celular é relativamente mais fina do que a das algas, o que torna a recuperação dos lipídeos mais fácil. Leveduras como a Cryptococcus curvatus, de acordo com Iassanova (2009), conseguem converter carbono em óleos em uma quantidade de entre 50 e 73% do seu peso seco. Thiru et al. (2011) complementa que o óleo produzido pela C. curvatus é semelhante ao óleo extraído de sementes como da Palma, necessitando portanto de tratamento semelhante para sua utilização em motores movidos a combustão interna de ciclo diesel. 7 Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo estudar a produção de óleo microbiano pela levedura Cryptococcus curvatus utilizando glicerol como única fonte de carbono. 8 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Desde a pré-história o homem explora diversas formas de obter energia através de combustíveis, sejam eles sólidos, líquidos ou gasosos. De acordo com Sousa (2012), o primeiro combustível a ser explorado foi a madeira, ou lenha, uma matéria que ainda é utilizada por países de tímido desenvolvimento industrial. Entre os séculos XVIII e XIX, com a Revolução Industrial, o carvão mineral foi utilizado para mover as máquinas a vapor, sendo que seu consumo decaiu nas últimas décadas, variando devido a oscilação do preço do petróleo. Nos primeiros anos do século XX, com a produção em série de automóveis, a gasolina começou a ser o derivado do petróleo mais cobiçado, substituindo assim o querosene, e dando início a era dos combustíveis líquidos. O gás natural, descoberto em 1859, que tinha sido utilizado desde então para iluminação, em 1920 se destacou como alternativa aos combustíveis mais poluentes. Durante a Segunda Guerra Mundial outro derivado do petróleo ganha espaço como combustível de alto desempenho, o diesel, que possui maior eficiência que a gasolina, mas os motores movidos a diesel são mais onerosos. Após as crises do petróleo durante a década de 70, o mundo busca novas fontes de energia e uma alternativa é o álcool anidro produzido a partir da fermentação da sacarose, segundo BiodieleslBR (2006), a produção de álcool em 1975, de 600 milhões de litros, subiu para 12,3 bilhões em 1986. Por fim, em 2000, as fontes renováveis voltaram ao foco do mercado energético com os biocombustíveis, com destaque para o biodiesel e o etanol. Dentre os combustíveis citados anteriormente, o carvão mineral, a gasolina, o gás natural e o diesel são energias chamadas não renováveis, ou seja, provêm de recursos teoricamente limitados e consequentemente serão esgotados em um certo prazo se o consumo continuar. Já a madeira, o álcool e os biocombustíveis são energias renováveis, que podem manter-se em aproveitamento por longos períodos sem a possibilidade de esgotamento. 2.1 Perspectiva mundial de consumo de combustíveis Segundo a projeção feita pela EIA (2010), o consumo mundial de energia chegará a 739 quadrilhões de BTU em 2035 (Figura 1). 9 Figura 1 - Demanda mundial de energia desde 1990 até a previsão para 2035. Fonte: U.S. Energy Information Administration, 2010. Ainda segundo EIA (2010), as porcentagens de diferentes tipos de combustíveis mostra que as fontes renováveis e limpas estão em ascendência, enquanto que fontes não renováveis e poluentes estão em decadência ou estagnadas até 2035 (Figura 2). Figura 2 - Diferentes combustíveis e seus percentuais de uso desde 1990 até a previsão para 2035. Fonte: U.S. Energy Information Administration, 2010. 10 No cenário brasileiro, o Ministério de Minas e Energia mostra na Resenha Energética de 2015 a oferta interna de energia de 2014, onde observa-se que fontes renováveis somam 39,4% do total (Figura 3). Figura 3 - Oferta Interna de Energia no Brasil em 2014. Fonte: Ministério de Minas e Energia, 2015. 2.2 Biocombustíveis Devido a instabilidade política nas regiões de maior extração, crescente aumento de preços e possível esgotamento, os combustíveis derivados do petróleo necessitam de substituintes que supram as necessidades mundiais de forma economicamente viável e ambientalmente correta. A opção que está em foco atualmente é os biocombustíveis, que, segundo Petrobras (2007), são definidos por serem "(...) combustíveis produzidos a partir da biomassa (matéria orgânica), isto é, de fontes renováveis - produtos vegetais ou compostos de origem animal" e que, de acordo com Bastos (2011), tem com principais características: potencial de substituir combustíveis fósseis sem afetar o suprimento global de alimentos; saldo positivo de energia, ou seja, produzir mais energia do que aquela utilizada para produzi- lo; e ter menores impactos ambientais. 11 2.2.1 Etanol O etanol é um dos principais biocombustíveis da atualidades. Como Paludo (2014) define, ele é um derivado de biomassa renovável, cuja composição é principalmente feita de álcool etílico e que pode ser usado em motores de combustão interna com ignição por centelha, em outras formas de geração de energia ou em indústria petroquímica. Segundo Paludo (2014), o etanol possui um elevado teor de oxigênio, cerca de 35% em massa, o que é uma grande diferença em relação aos combustíveis derivados do petróleo. Esse elevado teor significa que a combustão é mais limpa e o desempenho do motor é melhor, ou seja, isso reduz a emissão de gases poluentes. De acordo com Santos (2012), as tecnologias para a obtenção do bioetanol envolvem a hidrólise dos polissacarídeos da biomassa em açúcares fermentescíveis e posterior fermentaçãoe, para a realização dessa hidrólise, utiliza-se tecnologias complexas e multifásicas, com base no uso de rotas ácidas e/ou enzimáticas para a separação dos açúcares e remoção da lignina. 2.2.2 Biodiesel Segundo a Resolução ANP nº 7/2008 Biodiesel é um combustível composto de alquil ésteres de ácidos graxos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais ou de gorduras animais conforme especificação contida no Regulamento Técnico. Dabdoub (2009) complementa que o biodiesel é capaz de substituir total ou parcialmente o diesel em motores de combustão interna de ciclo diesel, sem a necessidade de modificações nos motores. No Brasil, o biodiesel tem de atender às especificações estabelecidas pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) em sua Resolução ANP nº 07/2008, enquanto que, nos Estados Unidos, vale a norma ASTM D6751 da American Society for Testing and Materials (ASTM) e na Europa, a norma EN 14214 do European Committee for Standardization (CEN). Segundo Ramos (2011), a patente belga número 422.877 concedida no ano de 1937 para Charles Chavanne foi o primeiro registro do que hoje se denomina biodiesel. Nesta patente, foi relatada a transesterificação em meio ácido em que se obtia ésteres etílicos do óleo de palma. O termo "biodiesel" foi utilizado, porém, pela primeira vez no artigo Taiyang- neng Xuebao publicado em 1988 por R. Wang. O Brasil teve sua primeira patente relacionada ao assunto no ano de 1980, dado para o documento "Processo de produção de combustíveis a partir de frutos ou sementes de oleaginosas", cujo número é 8007957.28. A patente foi requerida de um processo de transesterificação que usa ácidos como o ácido sulfúrico ou 12 clorídrico e o hidróxido de sódio ou de potássio como catalisador alcalino para a produção de combustível de maneira semelhante à de Chavanne, com o adentro de que seria possível separar frações leves, que serviria como substituto do querosene, e frações pesadas, como substituto do diesel, dos ésteres do biodiesel obtido a partir de amêndoas de babaçú através de destilação à vácuo. Como Barbosa et al. (2007) relata, o biodiesel pode reduzir em 78% as emissões de gás carbônico quando comparado ao óleo diesel derivado do petróleo, isso já considerando a reabsorção das plantas, também pode reduzir em 90% as emissões de fumaça e praticamente eliminar as emissões de óxido de enxofre. No entanto, Chisti (2007) realta em seu trabalho que seria necessário 24% da área cultivável dos Estados Unidos para atender a apenas 50% da demanda anual de combustíveis para transporte se o óleo de palma fosse utilizado para a produção de biocombustíveis. O trabalho foi feito com base nos dados de consumo de 2007, hoje a realidade seria ainda maior devido a alta da demanda. Segundo Dabdoub (2009), o biodiesel é tradicionalmente produzido por reações de transesterificações de triglicerídeos na presença de catalisadores alcalinos ou por esterificação de ácidos graxos livres, sendo que por esterificação, os ácidos graxos livres reagem diretamente com um álcool de quatro ou menos carbonos na presença de catalisadores ácidos. O uso de catalisadores heterogêneos, homogêneos e enzimáticos também é possível. Existem muitas opções de matérias primas para a produção de biodiesel. Bastos (2011) mostra que, além de oleaginosas como a Colza, Soja e Girassol, também é possível o uso de microrganismos, gorduras animais e óleos residuais. O uso de matérias primas baseadas em óleos comestíveis gera concorrência com o mercado de alimentos, porém é possível também o uso de óleos não comestíveis como o Pinhão-manso, a Mamona e a Pongamia pinnata, por exemplo. Outro problema já relatado anteriormente é a indisponibilidade de terras para o cultivo da quantidade necessária para abastecer a demanda de biocombustíveis. Assim, o biodiesel oriundo de microrganismos presencia um crescente interesse devido ao seu maior rendimento e por não competir com terra para produção de alimentos. 2.3 Microrganismos oleaginosos Segundo Amorim et al. (2013), todos os organismos eucarióticos e algumas bactérias gram-positivas armazenam trigliceróis em compartimentos chamados de partículas de lipídios, gotículas lipídicas, corpos lipídicos, corpos oleosos, oleossomas ou esferossomas (em plantas). Aristizábal (2013) complementa que bactérias, fungos, microalgas e leveduras 13 estão sendo estudados recentemente para a produção de óleos e gorduras por fermentação, sendo que os lipídios normalmente produzidos são triacilglicerídeos de ácidos graxos de cadeia longa e em menor quantidade fosfolipídeos, hidrocarbonetos, carotenoides e esteróis. Em comparação com óleos de outros vegetais ou de gorduras animais, Thiru et al. (2011) cita que a produção de óleos microbianos possui vantagens como: microrganismos possuem ciclo de vida muito mais curto do que de plantas, menos trabalho é requerido, óleo microbiano é menos afetado por localidade, estação e clima e o aumento de escala é mais facilmente realizado. Microrganismos oleaginosos produzem e acumulam lipídios em situações especiais. O esgotamento de ingredientes essenciais é apontado por Iassanova (2009) como a principal condição, em especial do nitrogênio. Segundo ele, durante a fase de crescimento, em que todos os nutrientes e minerais estão disponíveis, o crescimento é alto e o acúmulo de lipídios é baixo, entretanto, quando o nitrogênio começa a ser limitante e o carbono continua abundante, o microrganismo entre em uma fase chamada de idiofase, em que a proliferação cessa por causa da falta de nitrogênio para a síntese de ácidos nucleicos e proteínas, mas os microrganismos continuam consumindo carbono, sintetizando e acumulando lipídios como material de reserva para condições ambientais não favoráveis ou para quando não houver outra fonte de carbono disponível. Segundo Aristizábal (2013), algas e leveduras são capazes de armazenar grandes quantidades de lipídeos, alguns destes com importância nutricional e dietética. Leveduras, além de não precisarem de energia solar para a fotossíntese, apresentam outras vantagens quando comparadas às algas: os ácidos graxos produzidos por elas são altamente semelhante aos óleos vegetais, ou seja, podem ser usados para a produção de biodiesel; e sua parede celular é relativamente mais fina do que a das algas, o que torna a recuperação dos lipídeos mais fácil. Leveduras são consideradas oleaginosas quando armazenam acima de 20% do seu peso seco em lipídeos, sendo que algumas delas podem chegar a acumular até 70% do seu peso seco. Dentre as leveduras que mais se destacam na literatura, segundo Aristizábal (2013) e Thiru et al. (2011) têm-se: Cryptococcus sp. (com ênfase em Cryptococcus curvatus), Rhodotorula sp. (com ênfase em Rhodotorula glutinis), Rhodosporidium sp. (com ênfase em Rhodosporidium toruloides), Lipomyces sp. (com ênfase em Lipomyces starkeyi), Yarrowia sp. (com ênfase em Yarrowia lipolytica), Candida sp. e Trichosporon sp.. 14 Tabela 1 - Conteúdo de lipídios de algumas leveduras oleaginosas. Fonte: Aristizábal (2013). O mecanismo de biossíntese de lipídeos pode aparentar ser similar entre as leveduras, mas Aristizábal (2013) informa que a quantidade e o tipo de óleo produzido depende da linhagem e das condições de cultivo, condições essas: relação carbono/nitrogênio, temperatura, pH, oxigênio e concentração de microelementos e sais inorgânicos no meio de cultivo. 2.3.1 Cryptococcus curvatus Anteriormente também conhecida como Apiotrichum curvatum ou Candida curvata, a levedura Cryptococcus curvatus foi descoberta em 1978 no estado de Iowa, Estados Unidos.De acordo com Iassanova (2009), essa levedura é uma eficiente produtora de óleos e cresce facilmente com recursos mínimos, além de que utilizar uma ampla variedade de substratos, como o glicerol e óleos, e convertê-los em reservas intracelulares de lipídeos. Ainda segundo Iassanova (2009), C. curvatus cresce bem enquanto usa o nitrogênio e carbono disponíveis, então ela começa a converter o carbono em óleos intracelulares e tipicamente para quando possui entre 50 e 73% de óleo em peso seco. A quantidade de lipídeos acumulada na levedura depende do substrato utilizado. Thiru et al. (2011) complementa que o óleo produzido pela C. curvatus é semelhante ao óleo extraído de sementes como da Palma e que o óleo formado pela levedura na forma de triacilgliceróis são predominantemente ácidos oleicos (C18:1), linoleicos (C18:2), esteáricos (C18:0), palmíticos (C16:0) ou palmitoleicos (C16:1). 2.4 Glicerol Segundo Siqueira (2015), o 1,2,3-propanotriol, ou comunmente chamado de glicerol, é um álcool que se apresenta como um líquido viscoso, inodoro e com sabor doce. 15 O glicerol, de acordo com Bastos (2011), é o principal coproduto da reação de transesterificação de trigliacilgliceróis para a produção de Biodiesel, sendo que ele representa 10% do peso de biodiesel. Ainda segundo Bastos (2011), durante o mês de abril de 2011 foram produzidos 185.060 m³ de biodiesel e, consequentemente, cerca de 18.506 m³ de glicerol. Logo, a produção de biodiesel gera um excedente de glicerol residual que necessita ter aplicações a fim de não se tornar um rejeito industrial poluente. Diversas aplicações microbiológicas estão sendo estudadas para o aproveitamento do glicerol residual da produção de biodiesel. Já que muitos microrganismos podem utilizar o glicerol como única fonte de carbono sob condições aeróbicas ou anaeróbicas para obtenção de energia, é de interesse utilizá-lo como matéria-prima para fermentações industriais com o intuito de fortalecer a cadeia produtiva de Biodiesel e tornar este combustível um forte concorrente no mercado. 16 3 OBJETIVOS Este trabalho tem por objetivo avaliar a influência das condições de fornecimento de oxigênio sobre a produção e acúmulo de óleo microbiano pela levedura Cryptococcus curvatus em cultivos realizados em meio contendo glicerol como principal fonte de carbono. Para isso, serão desenvolvidas as seguintes etapas: Adequação de metodologia para a quantificação da concentração celular da levedura por espectrofotometria; Adequação de metodologia para a quantificação do lipídio microbiano por técnica colorimétrica para amostras de pequeno volume de meio de cultura; Desenvolvimento de cultivos de levedura em frascos agitados, sob diferentes condições de fornecimento de oxigênio. 17 4 MATERIAS E MÉTODOS Os experimentos foram realizados no laboratório de biocombustíveis do Departamento de Engenharia Química (LOQ), da Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo (EEL-USP). 4.1 Microrganismo e preparo do inoculo Foi utilizada a cepa da levedura Cryptococcus curvatus Y -1511, cedida pela USDA (United States Department of Agriculture), de Peoria, Illinois. A cultura foi mantida repicada em tubos de ensaio contendo ágar extrato de malte inclinado e conservada em geladeira a 4ºC. O inoculo foi preparado transferindo-se uma alçada de células, proveniente de um cultivo de 24 h em meio de manutenção, para frascos Erlenmeyer de 250 mL contendo 50 mL do meio de cultura composto de 30,0 g/L de substrato (glicose ou glicerol), 3,0 g/L de Extrato de levedura, 1,0 g/L de MgSO4.7H2O e 3,0 g/L de (NH4)2HPO4, o qual foi preparado e esterilizados em autoclave a 121ºC por 20 minutos. Os frascos foram incubados à 30ºC em agitador rotatório a 200 rpm por 24 horas. Após este tempo as células foram separadas por centrifugação a 2000xg por 10 minutos e ressuspensas em água destilada estéril de modo a obter uma suspensão concentrada. Esta suspensão foi então adicionada como inoculo ao meio de cultivo de modo a obter uma concentração inicial de células de 1 g/L. 4.2 Efeito da agitação/aeração no acúmulo de lipídeos Visando determinar as melhores condições de fornecimento de oxigênio para os cultivos em frascos agitados que possibilitem maximizar o acumulo de lipídeos pelas leveduras, serão realizados estudos utilizando a metodologia de planejamento experimental. Nesta etapa serão empregados planejamentos fatoriais do tipo 2 2 com triplicata no ponto central, para avaliar os efeitos da variação da velocidade de agitação e da relação volume de frasco/volume de meio de fermentação, sobre o acúmulo de lipídeos pelas leveduras, conforme mostrado na Tabela 2. 18 Tabela 2 - Planejamento fatorial do tipo 2 2 , com triplicata no ponto central, para a avaliação do efeito da agitação/aeração na produção de lipídeos por leveduras. Ensaios Variáveis Agitação (rpm) V frasco/V meio Valor real (rpm) Nível Valor real Nível 1 150 -1 2,50 -1 2 250 +1 2,50 -1 3 150 -1 5,00 +1 4 250 +1 5,00 +1 5 150 -1 3,75 0 6 250 +1 3,75 0 7 200 0 2,50 -1 8 200 0 5,00 +1 9 200 0 3,75 0 10 200 0 3,75 0 11 200 0 3,75 0 Fonte: o autor. Levando-se em conta os resultados obtidos no ensaio do planejamento fatorial, caso necessário, poderão ser realizados ensaios adicionais para a quantificação dos níveis das variáveis estudadas através da metodologia de superfície de resposta. 4.3 Metodologias analíticas 4.3.1 Determinação da concentração celular A concentração celular foi determinada pela medida das absorbâncias das amostras em espectrofotômetro. As amostras foram centrifugadas a 2000 rpm por 10 minutos. As células foram lavadas e centrifugadas novamente nas mesmas condições, e ressuspensas em água destilada. A absorbância da suspensão celular foi determinada a 600 nm, utilizando- se água como branco. A concentração celular foi calculada através da curva de calibração especifica para a levedura utilizada. 4.3.2 Determinação de lipídios totais Para a determinação de lipídeos produzidos pela levedura, para a extração foi utilizado o método Bligh & Dyer (1959) adaptado e a quantificação foi realizada por colorimetria empregando o método de coloração por Sulfo-fosfo-vanilina (KNIGHT et al., 1972). Durante a fermentação foram retiradas alíquotas de 1 mL do meio de cultivo a cada 24 horas, as quais foram centrifugadas para a separação do sobrenadante. A extração de óleos foi 19 realizada adicionando-se 1 mL de metanol e 2 g de pérolas de vidro (0,50 mm de diâmetro) as células. Esta mistura foi submetida a agitação em vortex por quatro ciclos de um minuto com intervalos de um minuto em banho de gelo. Após a realização dos ciclos foram adicionados 2 mL de clorofórmio e a mistura foi agitada durante 1 hora a 200 rpm, após este período foram acrescentados 1 mL de solução de cloreto de potássio 0,88% e 0,8 mL de água destilada. A mistura foi então centrifugada a 2000 rpm por 5 minutos havendo a separação de duas fases. Foi retirada uma alíquota de 0,4 mL da fase de fundo (orgânica) a qual foi colocada em tubos e levada a estufa a 80ºC por 24 horas para evaporação do solvente. Para o método colorimétrico, após a evaporação foi adicionado ao frasco 1 mL de ácido sulfúrico concentrado, e a mistura foi aquecida em banho maria sob fervura por 10 minutos. As amostras foram então resfriadase foi adicionado à solução de ácido fosfórico e vanilina (17%) para desenvolver a coloração. As amostras foram colocadas no escuro por 45 minutos. Após esse período foi então determinada a absorbância das amostras a 525 nm, tendo água como branco. A concentração de lipídeos foi calculada por uma curva de calibração. 4.4 Análise de resultados Os resultados dos cultivos serão analisados considerando parâmetros como: fator de conversão de substrato em lipídio e produtividade volumétrica de lipídios. Os dados serão analisados quanto à cinética de crescimento considerando a velocidade específica de crescimento celular, velocidade específica de consumo, produção de lipídios e variação de pH. 20 5 RESULTADOS 5.1 Adequação de metodologias analíticas 5.1.1 Determinação da concentração celular A fim de se obter o crescimento celular durante a fermentação foi necessária curva de calibração que relacionasse a absorbância da suspensão em 600 nm e a concentração de células em termos do seu peso seco. A partir de diferentes diluições de uma suspensão celular concentrada feita, foi possível relacionar a absorbância medida nelas, em comprimento de onda de 600 nm, com sua a concentração já sabida. Os valores são mostrados na Tabela 3. Tabela 3 - Absorbâncias das suspensões celulares em diferentes diluições e suas concentrações. Absorbância (600nm) Concentração 1,076 0,941 g/L 0,619 0,3764 g/L 0,373 0,1882 g/L 0,215 0,0941 g/L 0,082 0,03764 g/L 0,044 0,0182 g/L 0,023 0,00941 g/L Fonte: o autor. Os valores foram linearizados e então foi obtida a equação de concentração de biomassa da levedura, que relaciona a concentração de biomassa a uma determinada absorbância na faixa de onda de 600 nm, mostrada na Figura 4. 21 Figura 4 - Curva de calibração e equação para levedura. Fonte: o autor. A curva de calibração obtida por regressão linear dos dados apresentou um bom ajuste na região avaliada, tendo um coeficiente de determinação (R²) superior a 0,94. 5.1.2 Determinação de lipídios A determinação da concentração de óleo microbiano foi realizada pela extração empregando o método Bligh & Dyer (1959) adaptado seguida pela quantificação por calorimetria utilizando a técnica de coloração pela reação Sulfo-fosfo-vanilina (KNIGHT et al., 1972). Para a utilização da técnica colorimétrica foi necessária a construção de uma curva de calibração que relacionasse a absorbância resultante da reação de coloração, medida em 525 nm, com a concentração de lipídios no extrato celular. A curva de calibração obtida para produção de lipídios está apresentada na Figura 5. Concentração(g/L) = 0,8549(600nm) - 0,059 R² = 0,9617 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 C o n ce n tr a çã o ( g /L ) Absorbância (600nm) 22 Figura 5 - Curva de calibração e equação para óleo de soja. Fonte: o autor. Dentro da região avaliada, o resultado seguiu a expectativa, tendo um comportamento linear, coeficiente de determinação (R²) superior a 0,94 e termo independente da equação próximo de zero. A amostra de clorofórmio pura não deveria conter óleos ou materiais orgânicos, o que faz com que sua absorbância fique próxima de zero (reta que passe pelo ponto 0,0). 5.2 Avaliação da condição de aeração Segundo o planejamento experimental de fatorial 2², discutido no item 4.2 deste relatório, diferentes aerações foram testadas para a determinação das melhores condições de produção de lipídeos e biomassa. Para isso, variou-se a razão Vfrasco/Vmeio (2,5:1, 3,75:1e 5:1) e a agitação (150 rpm, 200 rpm e 250 rpm). A Tabela 4 contém os níveis das variáveis, as concentrações celulares e a produtividade máxima obtida em 120 horas. Massa(g) = 0,0008Abs(525nm) - 7×10-5 R² = 0,9434 0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 M a ss a ( g ra m a s) Absorbância (525nm) 23 Tabela 4 - Concentração de lipídeos e concentração celular em 120 horas de cultivo segundo o planejamento fatorial do tipo 2 2 para a avaliação aeração/agitação. Ensaio Variável Concentração de lipídeos máxima (g/L) Concentração celular máxima (g/L) A B 1 -1 -1 0,694 9,659 2 +1 -1 1,547 30,348 3 -1 +1 1,163 27,911 4 +1 +1 1,551 43,470 5 -1 0 0,379 19,533 6 +1 0 1,500 38,982 7 0 -1 2,237 24,834 8 0 +1 1,589 28,467 9 0 0 1,328 26,116 10 0 0 1,274 33,169 11 0 0 0,709 29,365 A= agitação B= Razão de Vfrasco/Vmeio Fonte: o autor. A levedura foi capaz de produzir lipídeo em todas as condições de ensaio a que foi submetida, porém houve grande variação nas concentrações finais de células, sendo que, em geral, a produção de óleo foi muito baixa. A Figura 6 mostra os dados da Tabela 4 em forma de gráfico de barras, para facilitar a análise da influência da aeração na produção de óleo microbiano. 24 Figura 6 - Concentrações de biomassa e lipídeos obtidas nos cultivos realizados nas diferentes condições do planejamento experimental. Fonte: o autor. Os efeitos da agitação e da razão Vfrasco/Vmeio foram avaliados mais cuidadosamente através de análise estatística empregando metodologia de superfícies de resposta, como será apresentado no item a seguir. 5.3 Análise estatística dos resultados Na Figura 7A e 7B são apresentados os gráficos de Pareto para as respostas Concentração Celular e Concentração de Lipídeos, respectivamente. Nesta análise são considerados significativos os termos cujos valores de t calculado (representado pelas barras no gráfico de Pareto) apresentam-se superiores ao valor de t tabelado (representado pela linha do gráfico), para distribuição de Student, a 95% de confiança. Em uma análise do gráficos de Pareto para a Concentração Celular (Figura 7A) observou-se que apenas os efeitos lineares da Agitação (1) e da razão V Frasco/V Meio (2) foram significativos a um nível de 0,05 de significância. Para a resposta de Concentração de Lipídeos (Figura 7B), nenhuma das variáveis se mostrou significativa, entretanto o modelo não se torna confiável devido às baixas concentrações de lipídeos observadas e suas oscilações. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 C o n ce n tr a çã o d e li p íd eo s (g /L ) C o n ce n tr a çã o d e ce lu la s (g /L ) Ensaio Concentração de lipídeos Concentração celular 25 Figura 7 - Gráficos de Pareto que expressa as estimativas dos efeitos padronizados e limite de significância estatística para as respostas produção de biomassa (A) e de lipídeos (B). Fonte: o autor. Para confirmar a significância estatística dos efeitos principais e de suas interações sobre respostas de crescimento celular e concentração de lipídeos foi feita a análise da variância dos efeitos (Tabelas 5 e 6 respectivamente). Os termos considerados significativos foram os mesmos observados nos gráficos de Pareto. O coeficiente de correlação alcançado para a resposta concentração celular foi superior a 0,907, o que demonstra a relevância das variáveis estudadas. A influência das variáveis nesta resposta pode ser representadapor um modelo linear, visto que não apresentou nenhum efeito quadrático significativo dentro da região de variação avaliada. De um modo geral esta análise sugeriu que, a um nível de significância de 0,05, o modelo para produção de biomassa foi adequado para descrever o comportamento observado, visto que o coeficiente de correlação foi significativo e não apresentou falta de ajuste significativa, o que o valida e possibilita representá-lo por meio de superfície de resposta, ao passo que o modelo para a produção de lipídeos não foi adequado para descrever o comportamento observado, devido tanto ao baixo coeficiente de correlação, de 0,724, quanto à oscilação na concentração observada durante os cultivos. (A) (B) 26 Tabela 5 - Análise de variância dos efeitos principais e de interações dos fatores sobre a concentração celular. Fonte de variação Soma Quadrática Nº de g.l. Média Quadrática p Agitação - A 517,4531 1 517,4531 0,002055 * A² 0,5862 1 0,5862 0,851461 Vfrasco/Vmeio - B 206,1548 1 206,1548 0,014038 * B² 11,4283 1 11,4283 0,423825 AB 6,5792 1 6,5792 0,538135 Residual 75,4013 5 15,08032 Total 817,0365 10 R²= 90,771% * Significativo a 95% de confiança. Fonte: o autor. Tabela 6 - Análise de variância dos efeitos principais e de interações dos fatores sobre a concentração de lipídeos. Fonte de variação Soma Quadrática Nº de g.l. Média Quadrática p Agitação - A 0,930313 1 0,930313 0,05438 A² 0,475434 1 0,475434 0,13375 Vfrasco/Vmeio - B 0,005222 1 0,005222 0,85870 B² 0,741430 1 0,741430 0,07585 AB 0,054056 1 0,054056 0,57280 Residual 0,743291 5 0,148658 Total 2,702012 10 R²= 72,491% Fonte: o autor. A Figura 8 apresenta o gráfico da superfície de resposta que descreve a concentração celular em 120 horas de cultivo em função das variáveis agitação e razão 27 Vfrasco/Vmeio. Nota-se que o aumento das variáveis avaliadas leva a um aumento na concentração de biomassa, ou seja, leva a um aumento positivo sobre a resposta. Dentro da região de variação observada o aumento da agitação apresentou um efeito mais pronunciado sobre a resposta quando comparado ao efeito da variável razão Vfrasco/Vmeio. A concentração máxima de célula, de 43,470 g/L, foi obtida no nível +1 de agitação e +1 de Vfrasco/Vmeio, que correspondem a 250 rpm e 5:1, respectivamente. Dentro da região de variação estudada, não foi observada a ocorrência de um ponto ótimo. De um modo geral, os resultados sugerem que maiores concentrações de células poderiam ser alcançadas aumentando-se a agitação ou reduzindo a ração Vfrasco/Vmeio, ou seja, proporcionado maiores níveis de oxigenação ao meio de cultivo. Apesar da tendência observada, ensaios com maiores agitações não puderam ser desenvolvidos devido à limitação dos equipamentos utilizados. A agitação foi limitada a 250 rpm, uma vez que está é a máxima agitação possível de atingida na incubadora de agitação orbital disponível para o trabalho. Também não foi possível aumentar significativamente a razão Vfrasco/Vmeio devido ao baixo volume de meio de cultivo no frasco agitado. Figura 8 - Superfície de resposta que relaciona a produção de biomassa com a relação Vfrasco/Vmeio e agitação. Fonte: o autor. 28 6 CONCLUSÃO A adaptação de metodologias para a determinação de óleos microbianos por espectrofotometria possibilitou o acompanhamento da produção de lipídios pela levedura, o que viabilizou a quantificação em pequenos volumes de amostra, ou seja, em quantidade de células presentes em cerca de 1 mL do meio de cultivo. Os ensaios realizados consistiram em diferentes agitações e razões de volume de frasco por volume de meio, sendo que a levedura avaliada foi capaz de consumir glicerol, crescer e acumular lipídios nas condições de cultivo avaliadas e pôde-se observar que seu crescimento foi fortemente afetado pela condição de fornecimento de oxigênio no meio, porém a quantidade de lipídeo acumulado não foi satisfatória o suficiente para adequá-la a modelos matemáticos. Verificou-se ainda que quanto maior a disponibilidade de oxigênio no meio, maior foi a concentração celular. A tendência observada na análise dos resultados sugere que maiores concentrações celulares devem ser obtidas com o aumento dos níveis de oxigenação, entretanto, devido a limitações físicas dos equipamentos utilizados, condições de maior agitação não puderam ser avaliadas em frascos agitados. Desta forma, novos estudos em equipamentos que permitam condições de maior fornecimento de oxigênio, como biorreatores, podem ser uma alternativa para estabelecer condições mais propícias para a produção e acúmulo de óleo microbiano. 29 REFERÊNCIAS AKASAKA, Milena T. Hidroesterificação de óleos vegetais de elevada acidez utilizando catalisadores heterogêneos ácidos. Lorena: Departamento de Engenharia Química, Escola de Engenharia de Lorena/USP, 2015. AMORIM, Lucio M. de; ROSA, Priscila D. da; VALENTE, Patricia. Extração lipídica em leveduras oleaginosas de queijo artesanal. Porto Alegre: Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agrícola e do Meio Ambiente, Instituto de Ciências Básicas da Saúde, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2013. Disponível em: http://www.lume.ufrgs.br/handle/10183/96801. Acesso em 02/jan/2016. ARISTIZÁBAL, Ruth Verónica S. Produção de leveduras oleaginosas em meio de cultura contendo hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar. 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