Novo processo de produção de ácidos carboxílicos de cadeia média a partir de subprodutos orgânicos

Novo processo de produção de ácidos carboxílicos de cadeia média a partir de subprodutos orgânicos

CONTEXTO

A transição para uma bioeconomia circular está a criar uma forte procura por processos sustentáveis que convertam recursos renováveis em bioprodutos de elevado valor. Ao mesmo tempo, os setores industriais agroalimentares geram grandes volumes de fluxos secundários orgânicos que, muitas vezes, têm baixo valor de mercado ou são geridos como resíduos. Estes fluxos representam tanto um encargo ambiental como uma oportunidade perdida para recuperar carbono renovável e criar novas fontes de valor.

Os ácidos carboxílicos de cadeia média (MCCAs) são ácidos carboxílicos com 6 a 12 átomos de carbono, incluindo o ácido caproico. Trata-se de compostos versáteis e valiosos que podem ser utilizados como blocos de construção para produtos em vários setores, com particular relevância como precursores de polihidroxialcanoatos de cadeia média (mcl-PHA). Estes biopolímeros têm aplicações potenciais em embalagens, revestimentos e materiais biomédicos. Para além da produção de biopolímeros, os MCCAs também podem ser utilizados como antimicrobianos ecológicos e aditivos alimentares na agricultura, ingredientes nutricionais na indústria alimentar e precursores de biocombustíveis, tensioativos, aromas e fragrâncias.

Atualmente, os MCCAs são produzidos principalmente a partir de óleos vegetais e animais ou de matérias-primas de origem fóssil. Estas vias convencionais podem estar associadas a elevados custos de produção, exposição a mercados de matérias-primas voláteis, concorrência por terras e recursos de biomassa, riscos relacionados com a desflorestação e emissões de gases com efeito de estufa. Estas limitações criam a necessidade de vias de produção alternativas que sejam rentáveis, escaláveis e mais alinhadas com os princípios da economia circular.

A produção biológica de MCCAs através do alongamento da cadeia microbiana surgiu como uma alternativa sustentável promissora. Neste processo, os ácidos carboxílicos de cadeia curta (SCCAs) gerados durante a fermentação acidogénica são convertidos biologicamente em MCCAs de cadeia mais longa e de maior valor. No entanto, muitos processos convencionais de alongamento da cadeia dependem de configurações em duas fases, de substratos pré-fermentados e da adição de doadores de eletrões externos, tais como etanol ou lactato. Além disso, muitos dos processos de produção de MCCAs descritos baseiam-se em sistemas de cultura pura, que normalmente exigem operação asséptica e condições rigorosamente controladas. Estes requisitos podem aumentar a complexidade operacional, os custos e o impacto ambiental.

Esta oportunidade comercial centra-se num bioprocesso simplificado baseado em culturas microbianas mistas (MMCs), capazes de converter fluxos secundários orgânicos diretamente em MCCAs. As MMCs podem operar em condições não assépticas e são mais adequadas para matérias-primas complexas e variáveis. A sua diversidade microbiana suporta múltiplas funções biológicas no mesmo processo, incluindo hidrólise, acidificação, produção de doadores de eletrões e alongamento da cadeia.

A novidade do processo desenvolvido reside na operação do biorreator de fase única, que elimina a necessidade de substratos que contenham inerentemente moléculas precursoras, tais como SCCAs ou doadores de eletrões, evitando simultaneamente a suplementação externa de doadores de eletrões durante o alongamento da cadeia. Em vez disso, o processo integra a fermentação de matérias-primas complexas em SCCAs, a produção in situ de doadores de eletrões e a sua subsequente conversão em MCCAs num único biorreator não asséptico. Esta configuração simplifica a operação e alarga a aplicabilidade do alongamento da cadeia a diversos fluxos secundários orgânicos de baixo valor.

A tecnologia proposta oferece aos parceiros industriais uma nova via para tratar e valorizar fluxos industriais secundários. Poderá ajudar a reduzir os custos de gestão de resíduos, gerar novas receitas a partir de resíduos subutilizados e melhorar o perfil de sustentabilidade das cadeias de valor. Esta tecnologia é relevante para parceiros interessados na valorização sustentável de resíduos e na produção de bioprodutos de valor acrescentado com aplicações em vários setores, incluindo como via para gerar blocos de construção para a subsequente produção de biopolímeros, nomeadamente o mcl-PHA.

SOBRE A TECNOLOGIA

Esta tecnologia diz respeito a um bioprocesso de fase única para a produção de MCCAs através da biossíntese microbiana. O processo envolve o enriquecimento de um MMC com microrganismos produtores de MCCA e o acoplamento da fermentação acidogénica com reações de alongamento da cadeia num único reator. Isto permite a conversão de matérias-primas orgânicas complexas em blocos de construção químicos valiosos. Os MCCAs resultantes podem ser utilizados como precursores para a síntese de mcl-PHAs e outros bioprodutos de valor acrescentado. Assim, a tecnologia oferece uma via sustentável para a valorização de fluxos secundários orgânicos de baixo valor ou resíduos, apoiando abordagens de economia circular e bioprocessos industriais mais sustentáveis.

O processo é realizado em condições não axénicas num biorreator de fase única. Ao contrário dos processos convencionais de alongamento de cadeia, não requer a fermentação prévia de compostos orgânicos complexos em SCCAs antes da produção de MCCA. Evita também a necessidade de suplementação externa de doadores de eletrões, tais como ácido láctico ou etanol, que é normalmente exigida nos sistemas tradicionais de alongamento de cadeia. Isto simplifica a configuração do processo e contribui para uma maior sustentabilidade, eficiência operacional e rentabilidade.

A tecnologia baseia-se no enriquecimento controlado de MMC utilizando lamas anaeróbicas como inóculo microbiano. As lamas anaeróbicas contêm uma comunidade microbiana diversificada capaz de hidrólise, acidogénese e alongamento de cadeias. Através da aplicação de condições operacionais selecionadas, a comunidade microbiana é orientada para a acumulação de ácidos carboxílicos e para o enriquecimento de microrganismos capazes de produzir MCCAs.

A estratégia operacional fundamental consiste em submeter o MMC a pressões seletivas, nomeadamente stress osmótico, oxidativo e ácido. Estas pressões são impostas através do controlo de parâmetros operacionais, tais como a suplementação de sais, a microaeração e o pH ácido. A aplicação combinada destas pressões seletivas altera a comunidade microbiana e redireciona a sua atividade metabólica para a produção de MCCA, ao mesmo tempo que suprime reações concorrentes, incluindo a acetogénese e a metanogénese. A acumulação resultante de SCCAs, juntamente com a disponibilidade de doadores de eletrões produzidos in situ, proporciona condições adequadas para o alongamento da cadeia e a subsequente produção de MCCAs.

Ao limitar esses processos concorrentes, uma maior fração do carbono disponível é direcionada para a acumulação de SCCAs, tais como os ácidos acético, propiónico, butírico e valérico. Estes SCCAs podem então atuar como substratos para a β-oxidação reversa, através da qual os ácidos carboxílicos mais curtos são alongados para formar MCCAs. Paralelamente, as pressões seletivas impostas favorecem a produção in situ de doadores de eletrões pelo MMC durante a fermentação de matérias-primas orgânicas complexas. Tais doadores de eletrões podem incluir ácido láctico, etanol e outros compostos reduzidos, que suportam a β-oxidação reversa sem necessitar de suplementação externa.

Consequentemente, o processo integra três processos microbianos fundamentais num único biorreator: a conversão de matérias-primas orgânicas complexas em SCCAs, a geração in situ de doadores de eletrões e o alongamento dos SCCAs para formar MCCAs. A integração destes processos microbianos num sistema de fase única proporciona uma configuração simplificada do processo e pode reduzir os custos operacionais em relação às abordagens convencionais de duas fases.

O processo pode ser implementado num único biorreator anaeróbico operado em condições não axénicas. Em primeiro lugar, o reator é inoculado com um MMC, de preferência lamas anaeróbicas, representando 5% a 50% v/v do volume de trabalho. O biorreator é alimentado com uma matéria-prima orgânica complexa aquosa, tal como um fluxo lateral orgânico industrial, com uma concentração de matéria orgânica entre 5 e 50 gCOD/L.

A seleção da cultura e o enriquecimento microbiano são alcançados através da operação do reator sob pressões seletivas definidas que favorecem a produção de ácidos carboxílicos e o alongamento da cadeia. Estas condições podem incluir um pH ácido, de preferência entre 3 e 6, suplementação de sais na ordem de 5 a 50 g/L e microaeração controlada por suplementação de oxigénio até 0,03 vvm. O reator é ainda operado em condições anaeróbicas, de preferência com valores de potencial de oxidação-redução inferiores a 0 mV, a uma temperatura entre 20 e 40 °C.

O processo pode ser operado com uma taxa de carga orgânica entre 5 e 50 gCOD/L/dia e um tempo de retenção hidráulica entre 0,5 e 6 dias. Nestas condições, o MMC é enriquecido com microrganismos capazes de produzir MCCAs. O efluente do reator é recolhido e a fração líquida é separada da fração sólida para se obter uma corrente rica em MCCA.

Em termos gerais, a tecnologia proporciona uma via integrada e eficiente para a produção de MCCA. Ao combinar o enriquecimento microbiano, a conversão do substrato e o alongamento da cadeia num único reator, o processo reduz os requisitos de equipamento, diminui a dependência de suplementação externa e pode melhorar a potencial viabilidade económica da produção de MCCA.

O processo é particularmente adequado para a valorização de diferentes fluxos de resíduos orgânicos e subprodutos industriais. Proporciona um método sustentável para a produção de componentes valiosos, contribuindo simultaneamente para a gestão de resíduos e a recuperação de recursos.

ESTÁGIO DE DESENVOLVIMENTO

Na sua fase atual de desenvolvimento, a tecnologia demonstrou a sua viabilidade no nível TRL5 e pode suportar um aumento de escala para a validação numa unidade-piloto nos níveis TRL6/TRL7, seguido de uma potencial implementação à escala de demonstração no nível TRL8+.

BENEFÍCIOS E APLICAÇÕES 

Vantagens em relação às soluções existentes e problemas abordados:

• Valorização de fluxos orgânicos secundários de baixo valor: A tecnologia converte resíduos orgânicos biodegradáveis, águas residuais e subprodutos industriais em fluxos valiosos ricos em MCCA. Isto pode reduzir os custos de gestão de resíduos, criando simultaneamente novas oportunidades de receita para as indústrias que geram fluxos secundários orgânicos subutilizados.
• Utilização de matérias-primas diversas e complexas: Ao contrário de processos que requerem substratos refinados, esta tecnologia consegue processar matérias-primas diversas e relativamente não transformadas, incluindo subprodutos industriais, águas residuais e fluxos orgânicos tanto salinos como não salinos. Isto aumenta o leque de aplicações industriais adequadas e resolve o problema das opções limitadas de valorização disponíveis para resíduos complexos e águas residuais salinas.
• Redução potencial do consumo de água doce: A capacidade de operar com fluxos salinos pode permitir a utilização de água do mar como água de processo, reduzindo a procura de água doce e melhorando o perfil ambiental do processo.
• Menor dependência de matérias-primas convencionais: A produção de MCCAs a partir de carbono derivado de resíduos pode reduzir a dependência de óleos vegetais, gorduras animais e matérias-primas de origem fóssil, contribuindo para uma produção mais sustentável.
• Menor complexidade e custo do processo: A utilização de MMC elimina a necessidade de esterilização, o que reduz os custos operacionais e simplifica o aumento de escala em comparação com processos de cultura pura.
• Não há necessidade de suplementação externa de doadores de eletrões: O processo promove a produção in situ de doadores de eletrões, tais como ácido láctico e etanol, a partir da matéria-prima orgânica. Isto evita a necessidade de suplementação externa, reduzindo os custos de insumos e simplificando a operação.
• Produção em biorreator de fase única: A tecnologia integra a fermentação acidogénica e o alongamento da cadeia no mesmo reator, eliminando a necessidade de uma etapa separada de pré-fermentação da matéria-prima. Isto reduz os requisitos de equipamento, a complexidade operacional e os potenciais custos do processo.
• Operação contínua e produtividade: O processo permite a operação contínua com tempos de retenção hidráulica (HRT) curtos, o que pode aumentar a produtividade e facilitar o tratamento contínuo e a valorização de fluxos orgânicos industriais.
• Maior estabilidade do processo: As condições operacionais otimizadas, incluindo o pH, a salinidade e a microaeração, podem enriquecer eficazmente o MMC nos microrganismos produtores de MCCA, com os produtores de MCCA a atingirem uma abundância relativa superior a 90%, melhorando assim a robustez e a estabilidade do processo.
• Apoio à produção de biopolímeros: A tecnologia permite produzir fluxos ricos em MCCA e misturas de SCCA-MCCA que podem ser utilizadas como precursores para copolímeros de mcl-PHA e scl-mcl-PHA. Isto apoia a produção de biopolímeros com propriedades personalizadas para embalagens, revestimentos e materiais biomédicos.
• Escalabilidade e relevância industrial: A configuração do processo tem potencial para adaptação em diferentes escalas de produção, desde a validação em escala-piloto até à implementação industrial em maior escala. A sua reprodutibilidade e robustez foram demonstradas com diferentes matérias-primas e configurações de reator (Figuras 1 a 3).

PROPRIEDADE INTELECTUAL

• Pedido de patente provisória submetido.

OPORTUNIDADE

• Procuramos parceiros interessados em licenciar a tecnologia na sua fase atual de TRL5 e/ou em colaborar no seu posterior desenvolvimento e financiamento, com vista à validação numa unidade-piloto nos níveis TRL6/TRL7. Após o desenvolvimento bem-sucedido à escala-piloto na NOVA FCT, a tecnologia poderá avançar para a implementação numa unidade de demonstração no nível TRL8+, apoiada por um subsequente acordo de licenciamento.

MAIS DETALHES

Figura 1: Fermentação do soro de queijo durante 30 dias de funcionamento nos reatores de camada de lamas anaeróbicas de fluxo ascendente (UASB) (UASBCW) em condições de pH ácido, salinidade e microaerófilas. Perfil dos produtos de fermentação, incluindo ácido láctico (Lac), etanol (EtOH), ácido acético (Ace), ácido butírico (But), ácido caproico (Cap) e outros (ácido propiónico, ácido isobutírico, ácido isovalérico e ácido valérico), expressos em concentrações (A, gCOD/L) e na sua contribuição relativa para o total de produtos de fermentação (B, % de gCODFP). As barras representam a média (desvio padrão) de três ensaios de fermentação independentes (n = 3).

Figura 2: Fermentação de frutose ao longo de 94 dias de funcionamento no reator UASB (UASBFructose) em condições de pH ácido, salinas e microaerófilas. O perfil dos produtos de fermentação, incluindo ácido láctico (Lac), etanol (EtOH), ácido acético (Ace), ácido butírico (But), ácido caproico (Cap) e outros (ácido propiônico, ácido isobutírico, ácido isovalérico e ácido valérico), é apresentado tanto em termos de concentrações (A, gCOD/L) como das suas contribuições relativas para o total de produtos de fermentação (B, % gCODFP). As secções a cinzento, incluindo um período de 7 dias entre o dia 14 e o dia 20 e um período de 9 dias entre o dia 46 e o dia 54, indicam períodos de interrupção do funcionamento do biorreator. Após cada interrupção, o biorreator foi lavado com água salina durante, pelo menos, 3 HRT antes de ser reiniciado.

Figura 3: Fermentação do soro de queijo durante 54 dias de operação no reator contínuo com agitação (CSTR) em condições de pH ácido, salinas e microaerófilas (CSTRCW). Perfil dos produtos de fermentação, incluindo ácido láctico (Lac), etanol, ácido acético (Ace), ácido butírico (But), ácido caproico (Cap) e outros (ácido propiônico, ácido isobutírico, ácido isovalérico e ácido valérico), expressos como concentrações (A, gCOD/L) e como a sua contribuição relativa para o total de produtos de fermentação (B, % gCODFP).

NOVA Inventors

Bruno Marreiros

Mónica Carvalheira

Ascenção Reis