Fermentação ABE

O Biobutanol é obtido através do processo de fermentação ABE (Acetona, butanol e etanol). Estudos recentes da fermentação ABE são focalizados nos princípios fisiológicos do solvente e na engenharia metabólica. A produção biológica de biobutanol com a espécie Clostridium é capaz de metabolizar diversas fontes de carbono, tais como glicose, galactose, celobiose, manose, xilose e arabinose. Entretanto, a presença de solventes é toxica para os microrganismos, limitando a concentração no meio e levando a baixos rendimentos. O

66

Clostridium reduz a taxa de metabolismo dos açúcares em concentrações superiores a 13 g/L

de solvente (EZEJI et al., 2007).

O microrganismo encargado da metabolização dos açúcares é o Clostridium da família

Clostridiaceae, uma bateria de Phylum dos firmicutes (ou bacilos) caracterizados por corpo de

forma alongada, da classe dos anaeróbios incorporados na ordem dos Clostridiales (Figura 25) (WHITMAN, 2009).

Figura 25 – Caracterização taxonômica do gênero Clostridium. Fonte: (WHITMAN, 2009).

METABOLISMO DO CLOSTRIDIUM

Clostridium tem a habilidade de metabolizar 2 tipos de açúcares hexoses por glicólises (com maior velocidade) e pentoses pela rota não oxidativa dos fosfatos. Destaca-se a presença do sistema fosfotransferase dos açúcares fermentáveis na metabolização, que na sua ausência favoreceriam a solventogênesis (Figura 26). Na fase acidogênica da metabolização (pH 4,5 a 5) a Clostridium cresce (esporulação de 80%) consumindo de 24 a 40% dos açúcares para a produção de ácido acético, ácido butírico, CO2 e hidrogênio. Este último produzido como

elétrons residuais usados na solventogênesis. O Clostridium começa a metabolização do Piruvato na produção de duas moléculas de Acetyl-CoA e uma de Butyryl-CoA, usando as enzimas PTA e PTB na rota acidogênica para a produção de ácido butírico e ácido acético. A etapa seguinte de metabolização, chamada de resposta adaptativa, induz a cepa a biossínteses na fase solventogênica onde intervêm as desidrogenasses e descarboxilase para a produção de

67 acetona, etanol e biobutanol (DURRE, 2011; RANJAN, MOHOLKAR, 2012; GARCIA et al., 2011; JANG et al., 2012).

Figura 26 - Metabolismo da Clostridium, pela rota ácida e rota dos solventes (nos quadros aparecem as enzimas envolvidas em cada reação).

Fonte: (GARCIA et al. 2011).

CEPAS DE CLOSTRIDIUM

A engenharia genética tem estudado dois tipos de cepas para a produção de butanol Clostridium

Acetobutylicum e Clostridium Beijerinckii. Os testes feitos nestas duas espécies foram

responsáveis pela eliminação e adição de genes, superdimensionados os microrganismos para atingir o aumento da produção e pureza do solvente (LÜTKE-EVERSLOH, BAHL, 2011).

As metas destas “cepas mutantes” visam atingir tolerância a oxigênio, crescimento celular muito mais denso e prolongação da viabilidade das células, permitindo a produção asporogênica, cepas estáveis pouco degenerativas, com maior tolerância à inibição do solvente

68 e alta seletividade do biobutanol (HEAP et al., 2010; GARCIA et al., 2011). Algumas cepas testadas de C. acetobutylicum revelam produção de 22 a 24 g/L de solventes ABE e cepas de C. beijerinckii com rendimento de 17 a 21 g/L destacando a efetividade de conversão entre diferentes classes (Tabela 7). Uma medida importante a considerar é a influência do substrato nos resultados obtidos, como foi mostrado por Shaheen et al., (2000) através de Ranjan e Moholkar (2012) (SHAHEEN et al., 2000; RANJAN, MOHOLKAR, 2012).

Tabela 7 - Comparação das cepas de fermentação de Clostridium com melaço como substrato.

Cepas Concentração solventes ABE (g/L) Eficiência (%) C. Aceobutylicum PCSIR-10 19,2 34,0 PCSIR-5 15,2 30,0 ATCC 4259 9,5 15,8 ATCC 824 20,6 42,0 C. Beijerinckii NRRL B592 11,1 18,5 NRRL B593 11,5 19,2 NCP P260 21,9 33,4 18,9 31,5 C. saccharobutylicum NCP P108 18,6 28,6 NCP P258 18,3 30,5 NCP P262 17,9 29,8 BAS/B3/SW/336 19,6 30,0

Fonte: (SHAHEEN et al., 2000; EZEJI et al., 2007)

Os substratos açucarados frequentemente usados na fermentação com Clostridium tem origem de material lignocelulósico de milho, melaço de cana, trigo e centeio. A utilização de caldos de substratos açucarados com 97% de glicose e 100% de manose permite obter melhores resultados produtivos com as cepas nomeadas acima. A mistura destes açúcares constitui um caldo com maior velocidade de metabolização em presença do Clostridium. Nesse sentido, a glicose é o açúcar com maior velocidade digestão. No caso de incluir a xilose no caldo de fermentação, o crescimento celular do microrganismo vai ser limitado, com mudanças na velocidade de metabolização dos açúcares e acumulação de ácidos, tornando lenta a mudança da fase solventogênica do metabolismo (EZEJI et al., 2007; RANJAN, MOHOLKAR, 2012).

69

FATORES QUE AFETAM A FERMENTAÇÃO DA CLOSTRIDIUM

A baixa tolerância da Clostridium aos solventes na fermentação é um dos aspectos importantes da economia deste processo. A baixa concentração de biobutanol no licor fermentado causa aumento nos custos na recuperação do produto. A toxicidade para o Clostridium no meio com solventes a concentrações superiores a 3% em massa causa um aumento da fluidez na parede celular, devido à natureza hidrofóbica. Estas mudanças no comportamento celular afetam o controle entre a barreira interior e exterior da célula. As espécies mutantes mostram maior tolerância ao estresse do solvente em concentrações entre 13 e 19 g/L. Em outros casos, para cepas de Pseudomona putida e Bacillus subtilis a tolerância ao biobutanol aumenta para concentrações de 6% (v/v) (GARCIA et al., 2011).

As condições de operação da fermentação por batelada (do inglês batch) podem-se tornar uma longa fase com baixa produtividade em temperaturas 30ºC e 38°C. A cepas utilizadas neste tipo de fermentação são capazes de produzir entre 18 e 33 g/L nas primeiras 72 horas, alcançando uma produtividade em torno de 0,25 a 0,46 g/L/h, com substratos de glicose ou amido (QURESHI et al., 2000).

A produção de inibidores nos processos precedentes torna-se um gargalo no processo de fermentação com Clostridium. Estes produtos tóxicos para a fermentação, são produto da degradação da biomassa nos pré-tratamentos mais severos. Os inibidores têm efeitos negativos na taxa de crescimento dos microrganismos de fermentação (GURRAM et al., 2011). Os produtos inibidores são compostos derivados da degradação de hemicelulose e celulose. Da degradação de hemicelulose – compostos da família das pentoses – são produzidos ácidos carboxílicos como o furfural e ácidos fracos, como ácido acético, ácido fórmico e ácido levulínico. Da degradação da celulose – compostos da família das hexoses – é produzido o hidroxilo-metil-furfural (HMF) (OLIVA et al., 2003).

Outro motivo de baixa produtividade na fermentação é a baixa concentração das células nas cepas de fermentação, com concentrações inferiores a 3g/L em processos por batelada. Para a solução deste problema são utilizados meios de células fixas que podem alcançar rendimentos superiores a 15,8 g/L/h, ou seja, uma fermentação até 60 vezes mais produtiva (QURESHI et al., 2000). Outra das alternativas é a utilização de membranas de recuperação que atingem uma produtividade menor de 6,5 g/L/h (EZEIJ et al. 2004).

70