Poly(Lactic acid) production by conventional and microwave polymerization of lactic acid produced in submerged fermentation

• Main Author: Oliveira, Juliana de
• Other Authors: Soccol, Carlos Ricardo, 1953-
• Format: Others
• Language: Inglês
• Published: 2017
• Online Access: http://hdl.handle.net/1884/46421

Orientador : PhD. Luciana Porto de Souza Vandenberghe === Coorientadores : PhD. Carlos Ricardo Soccol e PhD. Sônia Faria Zawadzki === Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia. Defesa: Curitiba, 09/06/2016 === Inclui referências : f. 115-128 === Área de concentração: Agroindústria e biocombustíveis === Resumo: Poli(ácido lático), poliéster, é um polímero biodegravável aplicado em produtos como embalagens, têxteis, médicos e farmacêuticos. Pode ser obtido a partir do monômero ácido lático (AL) por meio da reação de policondensação direta e pela polimerização por abertura de anel do lactídeo. O AL é um ácido orgânico que apresenta diversas aplicações principalmente na indústria alimentícia, assim como na indústria farmacêutica, química e de polímeros. A produção do AL por fermentação oferece vantagens tais como a produção do isômero opticamente puro. As necessidades nutricionais da bactéria aumentam o custo de produção do AL, portanto substratos alternativos tem sido estudados por apresentarem uma alternativa econômica para este processo. O objetivo deste trabalho foi a produção de ácido lático por Lactobacillus pentosus em fermentação submersa utilizando subproduto do processamento da batata e caldo de cana como substratos para a obtenção de poli(ácido lático). Estes sub-produtos porque possuem alta concentração de fonte de carbono e volumes significativos são gerados anualmente, o que justifica sua a re-utilização e valorização. O sub-produto do processamento da batata foi submetido a hidrólise ácida com o objetivo de converter o amido em glucose. A produção de AL foi otimizada utilizando etapas de planejamento experimental estatístico envolvendo a seleção de bactérias do gênero Lactobacillus, definição da composição do meio de cultivo e estudos de cinética em frascos de Erlenmeyer e biorreator do tipo tanque agitado. A produção de AL chegou a 150 g/L utilizando sub-produto do processamento da batata e 225 g/L utilizando caldo de cana em 96 horas de fermentação. O uso da célula inteira de levedura de panificação como fonte de nitrogênio e a condição de fermentação não estéril demostraram ser boas alternativas para um processo industrial de produção de AL. O processo de separação e recuperação do AL do caldo fermentado foi desenvolvido para obtenção da molécula purificada e estudos de polimerização com o monômero obtido. O processo desenvolvido consistiu no aquecimento do caldo fermentado seguido pela etapa de centrifugação. A etapa de clarificação foi realizada utilizando carvão ativado em pó seguida pela precipitação a baixa temperatura e acidificação do lactato de cálcio para conversão em ácido lático. O processo foi efetivo para remoção de contaminantes que estavam presentes no caldo fermentado. A concentração final de AL em solução aquosa foi de 416 g/L com um rendimento de 51%. Os estudos de polimerização foram desenvolvidos utilizando a técnica de policondensação direta do AL, por meio de dois diferentes sistemas de aquecimento, convencional e micro-ondas. Um polímero com massa molar de 6330 g/mol e 61% de rendimento foi obtido a partir de um AL comercial e utilizando o AL obtido por fermentação resultou em um polímero com massa molar de 2370 g/mol. O processo de aquecimento por micro-ondas proporcionou um maior rendimento, 79% e 76% para o AL comercial e obtido por fermentação, respectivamente. Porém, foi obtida menor massa molar que o processo convencional, 2070 para o AL comercial e 1450 para o AL obtido por fermentação. As propriedades físico-químicas do poli(ácido lático) demonstraram aplicação em encapsulamento de compostos bioativos e engenharia de tecido. As perspectivas de sequência de estudos são a aplicação em encapsulamento de moléculas, modificações do polímeros e desenvolvimento de compósitos. PALAVRAS CHAVE: Poli(ácido lático), sub-produto do processamento da batata, caldo de cana, policondensação === Abstract: Poly (lactic acid) (PLA) is a polyester, which has a predominant role as biodegradable plastic, that is applied in packaging, textile, medical and pharmaceutical products. It can be obtained from lactic acid by direct polycondensation and by ring-opening polymerization (ROP) of lactide. Lactic acid (LA) is an organic acid that presents diverse applications mostly in food industry, as well as in pharmaceutical, chemical industries and polymers. The production of LA by fermentation offers the advantage of producing optically high pure LA. Nutritional requirements of bacteria increase the cost of LA production so alternatives substrates have been studied to bring an economical alternative for this process. The aim of this work was the production of LA by Lactobacillus pentosus in submerged fermentation using potato processing waste and sugarcane juice as substrate in order to obtain poly(lactic acid). The fermentation process was developed using potato processing waste and sugarcane juice because of their high carbon source concentration. Important volumes of both sub-products were generated, which is another reason for their re-use and valorization. Potato processing waste was submitted to hydrolysis in order to convert starch to glucose. LA production by fermentation was optimized using, statistical experimental design approach steps of optimization involved the screening of bacteria of the genus Lactobacillus and definition of medium composition kinetics studies in Erlenmeyer flask and stirred tank reactor were also carried out. LA production reached 150 g/l using potato processing waste, it was and 225 g/l with sugar cane juice after 96 hours of fermentation. The use of baker's yeast as a source of nitrogen and nonsterile conditions demonstrated good alternatives for an industrial production process of LA. The separation and recovery process of LA from fermented broth was developed to obtain a purified molecule for further polymerization studies. The developed process consisted in heating the fermented broth, then a centrifugation step was conducted for removal of the cells and suspended solids. A clarification step was included with powered activated carbon with further precipitation at low temperature and acidification of calcium lactate to convert to LA. The process was effective for removal of contaminants that were present in the fermentation medium. Final concentration of LA in aqueous solution reached 416 g/l and a yield of 51%. Polymerization studies were then carried out using direct polycondensation of LA, that were carried out with two different heating systems, conventional and microwave heating. A polymer with 6330 g/mol of molecular weight and 61% of yield was obtained from commercial LA and using fermented LA resulted in 2370 g/mol. Microwave heating process provided a higher yield, 79% and 76% for commercial and fermented LA, respectively. Nevertheless, the molecular weight was lower than conventional process, 2070 for commercial LA and 1450 for fermented LA. Physicochemical properties of PLA demonstrated application in encapsulation of bioactive compounds and tissue engineering. Perspectives of sequence of the studies: application on encapsulation of molecules, modifications of polymer and development of composites. KEYWORDS: Poly(lactic acid); potato processing waste; sugarcane juice; polycondensation