Produção de exopolissacarídeos por Ensifer meliloti em frascos agitados e biorreator de bancada : condições de processo e caracterização parcial do biopolímero

Abstract

Exopolissacarídeos (EPS) são biopolímeros produzidos de forma extracelular por diversos micro-organismos. Dentre os grupos de bactérias que produzem EPS, destacam-se as diazotróficas, que são responsáveis pela fixação do nitrogênio atmosférico. Tais macromoléculas possuem características físico-químicas que as permitem ser utilizadas em diversas aplicações industriais como floculantes, sorventes, agentes gelificantes e espessantes. Por outro lado, para viabilizar a produção de EPS, torna-se interessante o uso de substratos de baixo custo como fonte de nutrientes no meio de cultivo, como o melaço de soja, que contém carboidratos, lipídios, proteínas, minerais e vitaminas. Neste contexto, em relação à composição dos meios de cultivo, e considerando a complexa composição do melaço de soja, se faz necessária a avaliação das concentrações das fontes de carbono e nitrogênio para aumentar a produção do biopolímero. Além disso, para produção em biorreatores de bancada ou escalas maiores, é importante avaliar as condições de aeração e agitação, tendo em vista que são importantes para mistura e difusão de oxigênio. Portanto, os objetivos principais deste trabalho foram: estabelecer as melhores concentrações de melaço de soja e extrato de levedura em cultivo em frascos agitados para produção de EPS por Ensifer meliloti SEMIA 135; avaliar os efeitos da aeração e agitação em biorreator de escala de bancada visando à produção de EPS; e caracterizar parcialmente o bioproduto formado em termos de propriedades reológicas, térmicas e características estruturais. Os resultados obtidos indicam que as concentrações de melaço de soja e extrato de levedura que resultam na maior produção de EPS são, respectivamente, 30 g L-1 e 0,4 g L-1, resultando em 7,3 g L-1 do biopolímero. Além disso, o incremento do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) pelo aumento da aeração de 0,5 para 2 vvm (mantendo a agitação em 100 rpm) eleva a produção de biomassa e EPS, mas quando a agitação é incrementada (300 rpm), apesar do aumento do kLa, ocorre diminuição da produção. Desta forma, a condição de aeração e agitação que resultou na maior produção foi de 2 vvm e 100 rpm, resultando em 7,61 g L-1 de EPS. Em termos de características estruturais, o EPS apresentou massa molar ponderal média de 1,532 x 108 Da, grupos funcionais característicos de EPS provenientes de outras bactérias diazotróficas, presença de nitrogênio provavelmente associada a proteínas e caráter polianiônico evidenciado pelo potencial zeta negativo, com tendência de neutralização das cargas negativas com a acidificação do meio de dispersão. O biopolímero apresentou comportamento reológico pseudoplástico na faixa de pH de 2 a 7 e na concentração de 0,5 a 3 % (m v-1), seguindo o modelo de Herschel-Bulkley, caracterizado por apresentar tensão inicial de escoamento, enquanto a temperatura de degradação térmica ficou em torno de 285 C, mostrando o potencial de sua aplicação em diferentes áreas, como alimentícia e biotecnológica. O EPS produzido e parcialmente caracterizado pode vir a ser aplicado em formulações de produtos distintos, que necessitem de características de fluídos de Herschel-Bulkey e comportamento polianiônico em pH neutro, sendo capaz de resistir a processamentos térmicos sem perder suas propriedades.Exopolysaccharides (EPS) are extracellular biopolymers produced by different microorganisms. Among some groups of EPS bacteria producers, there is the diazotrophic group, which are known for nitrogen fixing. Those macromolecules have characteristics that allow them to be used in industrial applications such as flocculant, sorbent, gelling and thickener agents. On the other hand, low price substrates as soybean molasses are necessary, because they can be a great source of carbohydrates, lipids, proteins, minerals and vitamins. In this context, in relation to cultivation media and soybean molasses composition, it is needed the evaluation of carbon and nitrogen concentration to increase biopolymer production. Beyond that, when the production occurs in bench bioreactors or higher scales, it is necessary to evaluate parameters such as agitation and aeration, since oxygenation occurs through the effect of both variables. Thus, the objectives of this work were: stablish the concentration of soybean molasses and yeast extract that results in the best production of EPS by Ensifer meliloti SEMIA 35 in shaken flasks; evaluate the effects of agitation and aeration in bench scale bioreactor aiming the maximum production; characterize partially the bioproduct in terms of rheological properties, thermal properties and structural characteristics. The data indicated that the concentrations of soybean molasses and yeast extract that result in the maximum production were, respectively, 30 g L-1 and 0.4 g L-1, resulting in 7.3 g L-1 of EPS. Beyond that, the increment of volumetric mass transfer coefficient (kLa) by the increase of aeration rate from 0.5 to 2 vvm (agitation: 100 rpm) increased the production of biomass and EPS, however, when the agitation is increased (from 100 rpm to 300 rpm keeping aeration rate constant), despite the higher value of kLa, the production decreased. So, the condition of aeration and agitation that resulted in the maximum production was 2 vvm and 100 rpm, resulting in 7.61 g L-1 of EPS. In relation to structural characteristics, EPS showed weight-average molecular weight of 1.532 x 108 Da, functional groups typical of EPS from different diazotrophic bacteria, nitrogen content probably associated with the presence of proteins and polyanionic character evidenced by negative zeta potential, with a tendency to neutralize the negative charges with acidification of the dispersion medium. The biopolymer presented rheological behavior of a pseudoplastic fluid in solutions with pH from 2 to 7 and concentration from 0.5 to 3 % (m v-1), according to Herschel-Bulkley model, while the degradation temperature was 285 C, showing potential applications in different areas. The EPS produced and partially characterized can be applied in product formulations where is need Herschel-Bulkley behavior, polyanionic characteristics in neutral pH, being able to keep its properties even after thermic process.