Produção de biossurfactante por Yarrowia lipolytica utilizando fontes alternativas de carbono

Abstract

Os biossurfactantes são moléculas de origem biológica que interagem com diferentes fluidos e que reduzem a tensão superficial devido suas porções estruturais hidrofóbica e hidrofílica. Nesse sentido, diversas pesquisas surgem com o propósito de estudar a produção de biossurfactantes por diferentes microrganismos. A levedura Yarrowia lipolytica é um microrganismo atóxico e não patogênico, tendo se mostrado promissora na produção deste composto. Porém, devido ao custo elevado de produção, principalmente atribuído ao meio de cultivo, baixa produtividade e difícil purificação, a comercialização de biossurfactantes apresenta limitações. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é produzir biossurfactante por Yarrowia lipolytica NRRL Y-1095 a partir de fontes alternativas visando dar destino correto a estes resíduos e reduzir custos com substratos, além de compará-los com meio utilizando óleo de soja. Primeiramente, foi realizado um Delineamento Composto Central (DCC 23 ) para avaliar a influência das diferentes concentrações das fontes de carbono no índice de emulsificação (IE) e na concentração de biomassa, visando definir a composição do meio de cultivo que proporcione maior produção de biossurfactante. Os meios de cultivo foram estudados com variação na concentração de óleo residual de fritura e óleo de soja entre 0 e 4% (m v -1 ), e glicerol residual entre 1 e 3% (m v -1 ). Os demais componentes do meio foram fixados: extrato de levedura (0,5 g L -1 ) e (NH4)2SO4 (10 g L -1 ). Os cultivos foram realizados a 180 rpm, 30 °C por 96 h, com acompanhamento da concentração de biomassa, consumo de glicerol, pH e IE. As melhores condições para produção foram: 3% m v -1 de glicerol residual e 4% m v -1 de óleo de fritura residual, sem adição de óleo de soja, com IE de 51,92% e concentração de biomassa de 7,72 g L -1 . Na sequência o biossurfactante foi produzido por cultivo, nas melhores condições, a 180 rpm, 30 °C por 144 h. A final o meio de cultivo livre de células foi concentrado por ultrafiltração e caracterizado, quanto aos grupos funcionais, por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), tensão superficial, e teste de tolerância frente à diferentes condições de temperatura (25, 40, 60 e 90 oC), pH (2, 4, 6, 8 e 10) e salinidade (2, 4, 6, 8 e 10% m v -1 de NaCl), com posterior simulação de aplicação do biossurfactante em água do mar contaminada por petróleo. Durante a produção do biossurfactante, foi observado IE de 58,21% e concentração de biomassa de 8,86 g L -1 em 144 h de cultivo. A tensão superficial ao final do cultivo atingiu valor igual a 42,49 mN m-1 , no teste de deslocamento de óleo formou halo de 28,5 mm de diâmetro, após 30 min. Além disso, o biossurfactante produzido se mostrou estável frente as diferentes condições estudadas. A fração permeada e retida obtidos em processo de ultrafiltração apresentaram a presença de picos em regiões características de carboidratos, proteínas e ésteres de lipídeo em análise de FTIR. Assim, a levedura Yarrowia lipolytica NRRL Y-1095 foi capaz de produzir biossurfactante com propriedades tensoativas em meio de cultivo de baixo custo.

Biosurfactants are molecules of biological origin that interact with different fluids and reduce surface tension due to their hydrophobic and hydrophilic structural portions. In this sense, several studies have emerged to study the production of biosurfactants by different microorganisms. The yeast Yarrowia lipolytica is a non-toxic and non-pathogenic microorganism and has shown promise in producing this compound. However, due to the high production cost, mainly attributed to the culture medium, low productivity, and difficult purification, the commercialization of biosurfactants has limitations. Therefore, the objective of this work is to produce biosurfactant by Yarrowia lipolytica NRRL Y-1095 from alternative sources to correctly dispose of these residues and reduce costs with substrates, in addition to comparing them with a medium using soybean oil. First, a Central Composite Design (CCD 23) was performed to evaluate the influence of different concentrations of carbon sources on the emulsification index (EI) and biomass concentration, aiming to define the composition of the culture medium that provides greater biosurfactant production. The culture media were studied with variation in the concentration of residual frying oil and soybean oil between 0 and 4% (m v-1), and residual glycerol between 1 and 3% (m v-1). The other components of the medium were fixed: yeast extract (0.5 g L-1) and (NH4)2SO4 (10 g L-1). The cultivations were carried out at 180 rpm, 30°C for 96 h, with monitoring of biomass concentration, glycerol consumption, pH, and EI. The best conditions for production were: 3% m v-1 of residual glycerol and 4% m v-1 of residual frying oil, without the addition of soybean oil, with IE of 51.92% and biomass concentration of 7.72 g L-1. Subsequently, the biosurfactant was produced by cultivation, under the best conditions, at 180 rpm, 30°C for 144 h. Finally, the cell-free culture medium was concentrated by ultrafiltration and characterized, regarding functional groups, by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), surface tension, and tolerance test against different conditions of temperature (25, 40, 60 and 90 oC), pH (2, 4, 6, 8 and 10) and salinity (2, 4, 6, 8 and 10% m v-1 NaCl), with subsequent simulation of application of the biosurfactant in seawater contaminated by oil. During the production of the biosurfactant, an EI of 58.21% and a biomass concentration of 8.86 g L-1 were observed in 144 h of cultivation. The surface tension at the end of the cultivation reached a value equal to 42.49 mN m-1; in the oil displacement test, it formed a halo of 28.5 mm in diameter, after 30 min. Furthermore, the biosurfactant produced was stable under the different conditions studied. The permeate and retained fractions obtained in the ultrafiltration process showed the presence of peaks in regions characteristic of carbohydrates, proteins, and lipid esters in FTIR analysis. Thus, the yeast Yarrowia lipolytica NRRL Y-1095 was able to produce biosurfactants with surfactant properties in a low-cost culture medium.