Conversão de glicerol residual da síntese de biodiesel em 1,3-propanodiol e 2,3-butanodiol por células imobilizadas de Klebsiella pneumoniae BLh-1 em biorreatores contínuos

Abstract

Na indústria de biodiesel, além do produto principal há também a formação de subprodutos, sendo um destes o glicerol residual que é gerado em grandes quantidades. Atualmente sabe-se que o glicerol possui um grande potencial para utilização em bioprocessos, utilizando-o como substrato para produção de bioprodutos através da fermentação bacteriana gerando, por exemplo, 1,3-Propanodiol (1,3-PD) e 2,3-Butanodiol (2,3-BD), além de outros produtos como etanol, ácido acético e ácido lático. Este trabalho teve como objetivo a conversão de glicerol residual da indústria de biodiesel em 1,3-PD e 2,3-BD utilizando células imobilizadas de Klebsiella pneumoniae BLh-1 em um tipo de PVA, chamado Lentikats®, em biorreatores de leito fixo (RLE) e leito fluidizado (RLF) em operação contínua. As células de K. pneumoniae BLh-1 foram imobilizadas pela técnica de envolvimento em matrizes porosas, onde a tecnologia patenteada de imobilização celular em hidrogel de álcool polivinílico (PVA), Lentikats® foi empregada. Foram utilizados biorreatores de coluna de 150 mL de volume em RLE e RLF, operados com diferentes vazões de alimentação e saída, que correspondem às taxas de diluição (D) de 0,14, 0,30 e 0,45 h-1 e 0,10, 0,22 e 0,33 h-1, respectivamente. As vazões de entrada e saída e o pH (7,0) foram controlados ou monitorados na unidade de controle do biorreator e a temperatura (37 °C) foi controlada por um banho termostático. Para a fluidização da coluna de células imobilizadas foi adicionada uma vazão de reciclo de aproximadamente 200 mL.min-1. As concentrações de glicerol e dos bioprodutos foram monitoradas por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE). Os melhores resultados para produção de 1,3-PD e 2,3-BD foram obtidos com os RLE nos três experimentos realizados. A melhor produtividade para 1,3-PD foi de 8,69 g.L-1.h-1, em uma D=0,45 h-1, no experimento 2. Para 2,3-BD foi no experimento 1 com 2,99 g.L-1.h-1 em uma D=0,3 h-1. O reator de leito fluidizado com controle de pH em 7,0 proporciona uma produção, rendimento e produtividade menores em relação aos outros experimentos para produção de 1,3-PD e 2,3-BD. Os resultados obtidos neste trabalho permitiram concluir que é possível a utilização de reatores contínuos com células imobilizadas de K. pneumoniae para a bioconversão de glicerol residual em produtos de valor agregado, em particular, de 1,3-PD e 2,3-BD.

In the biodiesel industry, besides the main product, there is also the formation of by-products, one of which is the residual glycerol that is generated in large quantities. Glycerol has a great potential for use in bioprocesses, using it as a substrate for the production of bioproducts through bacterial fermentation generating, for example, 1,3-Propanediol (1,3-PD) and 2,3- Butanediol (2,3-BD), as well as other products such as ethanol, acetic acid, and lactic acid. This work aimed at converting residual glycerol from the Biodiesel industry to 1,3-PD and 2,3-BD using immobilized cells of Klebsiella pneumoniae BLh-1 cells in a PVA (Lentikats®) in fixed bed bioreactors ( RLE) and fluidized bed (RLF) in continuous operation. K. pneumoniae BLh-1 cells were immobilized in porous matrix wrapping technique, where patented Lentikats® polyvinyl alcohol hydrogel (PVA) cellular immobilization technology was employed. Bioreactors of 150 mL were used in RLE and RLF, operated under different dilution rates, corresponding to (D) of 0.14, 0.30, and 0.45 h-1 and 0.10, 0.22 and 0.33 h-1, respectively. The inlet and outlet flow rates and the pH (7.0) were either controlled or monitored at the bioreactor control unit and the temperature was (37 °C). For fluidization a recycle flow rate of approximately 200 mL.min-1 was added. The concentrations of glycerol and bioproducts were monitored by High Performance Liquid Chromatography (HPLC). The best results for the production of 1,3-PD and 2,3-BD were obtained with the RLE in the three experiments. The best productivity for 1,3-PD was 8.69 g.L-1.h-1, in a D = 0.45 h-1, in experiment 2. For 2,3-BD was in experiment 1 with 2.99 g.L-1.h-1 at a D = 0.3 h-1. The fluidized bed reactor with pH control at 7.0 provides lower yields and productivity than the other experiments for the production of 1,3-PD and 2,3-BD. The results obtained in this work shows that it is possible to use immobilized cells of K. pneumoniae to convert in continuous cultures residual biodiesel into products of commercial importance, such as 1,3-PD and 2,3-BD.