Recentemente, a produção e recuperação de ácidos graxos voláteis (AGVs) tem chamado a atenção devido ao seu alto potencial como fonte renovável de carbono, amplo uso em indústrias farmacêuticas, alimentícias e química (ATASOY et al., 2018). Os AGVs são compostos que possuem de dois (ácido acético) a seis (ácido capróico) átomos de carbono, são alifáticos mono-carboxilados de cadeia curta linear. Devido aos seus grupos funcionais, são extremamente úteis na indústria química como precursores de produtos químicos e derivados reduzidos (ésteres, cetonas, aldeídos, álcoois e alcanos) na química orgânica convencional. Além disso, eles também são substratos bem conhecidos para a produção de biocombustíveis como o metano e o hidrogênio, eletricidade via células de combustível microbianas, bem como biopolímeros como os polihidroxialcanoatos (STRAZZERA et al., 2018).
Atualmente, os AGVs são produzidos, principalmente, por oxidação ou carboxilação de precursores químicos derivados do processamento de petróleo. A biorrefinaria para a produção de AGVs por meio da fermentação, tanto de culturas puras quanto culturas mistas, está ganhando força como um tópico de pesquisa, na Tabela 4 se encontram os valores comerciais de alguns destes compostos.
Tabela 4. Preços e dimensão do mercado de diferentes metabolitos. Fonte: BASTIDAS- OYANEDEL et al.,(2015).
Composto Preço
(USD/tonelada) Tamanho do mercado (Tonelada/ano)
Ácido acético 400-800 3,500,000 Ácido butírico 2000-2500 30,000 Ácido propiônico 1500-1700 180,000 Ácido capróico 2000-2500 25,000 Ácido lático 1000-2100 120,000 Etanol 800-2000 51,000,000 Ácido fórmico 950-1200 30,000
O ácido acético tem uma ampla gama de aplicações e serve como precursor de vários compostos, como o acetato de celulose, anidrido acético, ésteres de citrato, acetoacetato de
metila, acetoacetamidas e polímeros acetoacetilados que são usados como moléculas precursoras na produção de fármacos (aspirina, vitamina E e antibióticos betalactâmicos), agrotóxicos (inseticidas e fungicidas) e corantes. Também é utilizado na síntese do acetato de vinil, os polímeros derivados do acetato de vinil estão presentes em painéis de madeira, sacos de papel, caixas de papelão, adesivos, cola branca, tintas látex, entre outros. Em 2015, o volume do mercado mundial foi de 13570 kt/ano, com China e Índia como os principais consumidores e espera-se que tenha uma taxa de crescimento do 5% para o período de 2014 a 2020 (MOSCOVIZ et al., 2018).
O ácido propiônico é produzido comercialmente por síntese química a partir de matéria-prima derivada do petróleo e, biologicamente, é produzido por Propionibacterium e algumas outras bactérias anaeróbicas, como Selenomonas, Clostridium, Veillonella e Fusobacterium spp. O ácido propiônico é um intermediário químico importante na síntese de herbicidas, é empregado na produção de plásticos a base de celulose, sabores de frutas, solventes, bases de perfume e borracha de butila para melhorar a resistência a abrasão. E usado na indústria alimentar porque tem a capacidade de inibir o crescimento de fungos, leveduras e algumas bactérias; já que na forma não dissociada, o ácido propiônico pode passar através da membrana celular ao citoplasma e liberar prótons por causa do pH alcalino intracelular. O gradiente de pH resultante através da membrana celular influencia a transferência de nutrientes, levando a inibição do crescimento dos micro-organismos (AHMADI; KHOSRAVI-DARANI; MORTAZAVIAN, 2017).
O ácido butírico é produzido principalmente pela síntese química baseada no petróleo. A principal aplicação industrial do ácido butírico está na fabricação de plásticos de acetato- butirato de celulose. Ésteres de butirato são usados como aditivos para aumentar a fragrância de frutas e como compostos aromáticos para a produção de perfumes, bebidas, alimentos e cosméticos, além de ser conhecido por ter muitas aplicações na medicina, no campo da gastroenterologia, no tratamento de patologias hematológicas, metabólicas e neurológicas e, ultimamente, tem chamado a atenção na síntese de combustíveis, uma vez que pode ser convertido em butanol por meio de transformações biológicas ou químicas (JIANG et al., 2018; LIU; ZHU; YANG, 2006) .
O ácido capróico é usado principalmente como precursor na síntese de produtos farmacêuticos, aromas e outros ésteres hexílicos, tem propriedades fungicidas e é uma alternativa aos fungicidas sintéticos.
O ácido láctico é um ácido orgânico que teve um aumento na demanda nos últimos anos por ser matéria-prima usada na produção do biopolímero ácido poli-láctico, que é uma alternativa biodegradável, biocompatível e ambientalmente amigável dos plásticos derivados de petroquímicos. O biopolímero é usado em suturas cirúrgicas, implantes ortopédicos, sistemas de liberação de medicamentos e produtos de consumo descartáveis. Também é amplamente usado na indústria alimentar e não alimentar, incluindo as indústrias cosmética e farmacêutica, e para produção de produtos químicos oxigenados, reguladores de crescimento vegetal e intermediários químicos especiais (ABDEL-RAHMAN; TASHIRO; SONOMOTO, 2010).
O ácido fórmico é usado como agente conservante de alimentos para animais, na indústria têxtil, no curtimento, no processamento de borracha e na fabricação de produtos farmacêuticos. E, adicionalmente, pode ser usado como meio de armazenamento e transporte para o hidrogênio já que o hidrogênio pode ser gerado pela decomposição catabólica do ácido fórmico (BASTIDAS-OYANEDEL et al., 2015)
CAPITULO II
JUSTIFICATIVA
A demanda energética cresce rapidamente devido ao crescimento e desenvolvimento populacional, e as principais fontes de energia utilizadas são provenientes dos combustíveis fósseis os quais apresentam vários inconvenientes que estão relacionados, principalmente, ao aquecimento global, poluição e degradação de ambientes naturais fato que tem gerado um crescente interesse por outras fontes de energias alternativas. Também os recursos petrolíferos são finitos e se tornam cada vez mais custosos, o esgotamento desses recursos petroquímicos aumenta os preços em setores essenciais, em todo o mundo, incluindo energia, materiais e produtos médicos. Portanto, um dos maiores desafios do mundo moderno está em diminuir a dependência desses produtos baseados em recursos petroquímicos. Além disso, os recursos lignocelulósicos são excelentes matérias-primas para a geração de biocombustíveis (hidrogênio), com várias vantagens como, por exemplo: obtenção a partir de diferentes fontes (florestais, agrícolas e agroindustriais), baixo custo e disponíveis em grande proporção. O hidrogênio pode ser gerado a partir de tais recursos, além de ser uma fonte de energia alternativa, renovável e limpa, com uma alta eficiência (122 kJ/g) e não gera gases do efeito estufa, sendo assim uma opção energética promissora.
Biologicamente, diferentes micro-organismos são capazes de gerar hidrogênio por meio da fermentação de diversas fontes de carbono (hexoses e pentoses) presentes em resíduos lignocelulósicos, esses resíduos são derivados da indústria e da agricultura e na maioria dos casos são descartados. Portanto, gerar um composto energético, tal como o biohidrogênio, constitui uma boa alternativa para o reaproveitamento desses resíduos, mesmo que para isso seja necessário aplicar um pré-tratamento na biomassa para liberação dos açúcares. O hidrolisado derivado desse processo é geralmente rico em pentoses e hexoses, mas também podem conter outros compostos como furanos, ácidos e fenóis que podem dificultar a fermentação.
Particularmente, o uso de micro-organismos anaeróbios facultativos na fermentação de hidrolisados lignocelulósicos apresenta vantagens do ponto de vista industrial, pois são de fácil manipulação e cultivo e produzem hidrogênio a temperatura e pressão ambiente. Apesar dos caminhos metabólicos já serem bem conhecidos, a versatilidade dessas bactérias em alterar seu metabolismo durante a fermentação parece ser o grande desafio a ser superado para otimizar a produção de hidrogênio. Os rendimentos e eficiência de conversão são fortemente alterados por rotas alternativas que competem pelos elétrons e assim comprometem sua canalização para a geração de hidrogênio.
Desse modo, o desafio deste trabalho foi estudar e compreender o metabolismo bacteriano com o intuito de alcançar eficiências de produção de bio-hidrogênio que se aproximem da capacidade máxima do substrato disponível. Ainda, no caso específico do uso de hidrolisado lignocelulósico, buscam-se linhagens eficientes na conversão do substrato, tolerantes frente aos compostos tóxicos presentes no material a ser fermentado. Neste sentido, se fazem necessários os estudos de prospecção bacteriana e elucidação do metabolismo fermentativo, conforme apresentado nos objetivos a seguir.
CAPITULO III
3. Hipóteses