Método para a produção de polihidroxialcanoatos utilizando culturas mistas fototróficas e CO2 como fonte de carbono

Um processo anaeróbio em que uma cultura mista de organismos fototróficos que crescem de forma estável num reator iluminado, sem arejamento e em condições não estéreis, pode capturar CO2 enquanto acumula biopolímeros.

Contexto

Os plásticos convencionais são materiais essenciais, mas a maior parte deles não é degradável e acumula-se no ambiente, causando graves problemas de poluição. Como alternativa, os polihidroxialcanoatos (PHA) são polímeros biodegradáveis sintetizados naturalmente por muitas bactérias e apresentam propriedades semelhantes às dos plásticos tradicionais. Nos últimos anos, o PHA tornou-se economicamente mais competitivo através da sua produção com culturas microbianas mistas alimentadas com matérias-primas de baixo custo (por exemplo, águas residuais). Neste sentido, foram desenvolvidos vários sistemas de produção de PHA, incluindo uma tecnologia recente que utiliza culturas mistas fototróficas (PMC). Os resultados indicaram que as bactérias fototróficas são totalmente capazes de produzir PHA a partir de resíduos orgânicos reais.

Por outro lado, o aquecimento global está a pressionar os cientistas a encontrar novas vias para fixar o CO2. Em 2013, os níveis de CO2 ultrapassaram os 400 ppm pela primeira vez na história registada. As alterações climáticas relacionadas com os níveis de CO2 já estão a acontecer, com eventos atmosféricos extremos a serem registados com mais frequência do que nunca. Este recente aumento incessante do CO2 tem de ser combatido e a transformação do CO2 em biopolímeros biodegradáveis contribuirá para a redução da poluição atmosférica e dos plásticos, ao mesmo tempo que produzirá novos produtos de valor acrescentado.

Sobre a Tecnologia

O principal objetivo desta tecnologia é ir além da utilização habitual de matérias-primas orgânicas e avançar para o novo campo de investigação dos plásticos à base de CO2. Esta área tem sido abordada de uma perspetiva química, mas os plásticos resultantes não são degradáveis, abordando apenas o sequestro de carbono, mas não a poluição plástica. Esta tecnologia procura oferecer processos biológicos alternativos, nos quais foram investigadas vias bioquímicas de fixação de CO2 de organismos ainda inexplorados e foram desenvolvidas tecnologias que permitem a fixação de CO2 em plásticos biodegradáveis. Esta tecnologia visa explorar a capacidade das bactérias fotossintéticas anoxigénicas (APB) para produzir PHA utilizando CO2 como matéria-prima de terceira geração. As APB são um grupo de organismos capazes de utilizar a luz para produzir energia, mas sem desenvolver oxigénio. Este grupo inclui bactérias muito versáteis que podem crescer em condições de fototrofia na presença de luz ou de quimiotrofia na escuridão, através de processos autotróficos ou heterotróficos. Para além disso, as APB podem armazenar PHA como reservas de carbono e energia. Esta tecnologia explora o metabolismo autotrófico da APB e diferentes estratégias/condições operacionais para desviar a utilização de CO2 para o armazenamento de PHA. Não só algumas APB estão equipadas com vias metabólicas que podem fixar o CO2 em precursores de PHA, mas também para as APB que fixam o CO2 em glicogénio (polímero de açúcar) através do ciclo de Calvin, o glicogénio pode ser convertido em PHA se houver condições anaeróbias no interior do reator e durante a fase escura da fotossíntese. Por conseguinte, a implementação de uma cultura microbiana mista fototrófica anoxigénica centrada na captura de CO2 apresenta várias vantagens, dada a sua capacidade de converter o carbono inorgânico diretamente em PHA ou de converter o CO2 em glicogénio e depois em PHA em condições anaeróbias, podendo funcionar tanto em condições de luz como de escuridão.

Estágio de Desenvolvimento

Technology Readiness Level (TRL): 3 – Prova de conceito experimental desenvolvida.

Benefícios e Aplicações

Processo amigo do ambiente: O PMC converte carbono inorgânico em PHA, biopolímeros com características semelhantes aos plásticos convencionais. A substituição do plástico convencional por PHA tem um forte impacto positivo no ambiente, devido à sua natureza biodegradável. A captura de carbono inorgânico, sob a forma de CO2, é também importante para estabelecer um sistema capaz de efetuar a mitigação de CO2.

Económico: Os custos operacionais da produção de PHA podem ser altamente reduzidos através da eliminação da necessidade de arejamento (as tecnologias actuais requerem quantidades significativas de energia para o arejamento – 40-50% dos custos de funcionamento). Além disso, a luz solar pode ser utilizada durante o dia (associada a um filtro de luz visível), diminuindo a necessidade de iluminação artificial no bioreactor. Não há necessidade de fluxos de carbono orgânico a preços elevados. Utilização de fluxos de CO2 gratuitos ou mesmo com preços negativos. Pode ser utilizado para a produção de compostos químicos, produção de polímeros para embalagens, armazenamento de captura de carbono e aplicações de utilização.

Sustentabilidade: Diferentes fluxos contendo resíduos/subprodutos industriais podem ser alimentados ao sistema, resultando na valorização desses fluxos.

Inovação: Um processo em que o carbono inorgânico pode ser utilizado como única fonte de carbono para o crescimento de uma cultura mista de organismos fototróficos operados num reator iluminado, sem arejamento e em condições não estéreis, e produção de PHA.

Propriedade Intelectual

• PT118611

Oportunidade

Até à data, implementámos os nossos métodos à escala laboratorial (até 3L). Estamos interessados em colaborações com parceiros industriais para aumentar a escala do método, bem como para testar moléculas seleccionadas em aplicações e produtos específicos.

NOVA Inventors

André Freches

Joana Fradinho

Juliana Roda

Maria Ascensão Reis