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Título: Otimização do cultivo de Cunninghamella elegans para a produção de biomassa, quitina, quitosana e biossurfactante em meio de resíduo agroindustriail
Título(s) alternativo(s): Optimization of Cunninghamella elegans growth for the production of biomass, chitin, chitosan and biosurfactant in agroindustrial waste media
Autor(es): Paula, Rafaela Caldas de
Orientador(es): Haminiuk, Charles Windson Isidoro
Palavras-chave: Biopolímeros
Agentes ativos de superfícies
Biomassa
Quitina
Quitosana
Microbiologia - Cultura e meios de cultura
Resíduos como combustível
Resíduos agrícolas
Biopolymers
Surface active agents
Biomass
Chitin
Chitosan
Microbiology - Cultures and culture media
Waste products as fuel
Agricultural wastes
Data do documento: 10-Abr-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: PAULA, Rafaela Caldas de. Otimização do cultivo de Cunninghamella elegans para a produção de biomassa, quitina, quitosana e biossurfactante em meio de resíduo agroindustrial. 2023. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.
Resumo: O avanço dos setores tecnológicos, agropecuários e urbanos, cada vez mais, exigem o uso de polímeros para que a suas atividades aconteçam. A busca por polímeros naturais surge como uma demanda para esses setores, já que os convencionais podem possuir alto custo de produção, além de gerar danos ambientais. A produção desses pode ser feita através do cultivo de microrganismos, que em sua estrutura possuem biopolímeros importantes como quitina e quitosana. Portanto o objetivo do presente trabalho foi analisar as melhores condições de cultivo para C. Elegans DSM1255, para a produção de biomassa, quitina, quitosana e biossurfactante. Como metodologia foram determinadas as melhores condições físico-químicas de cultivo utilizando um planejamento de Plackett-Burman com 7 variáveis (concentração de glucose, nitrogênio, asparagina, esporos, pH, temperatura e duração do cultivo). Seguido de um Box-Behnken design para otimização das quantidades glucose e peptona. Com a otimização o microrganismo foi crescido em meio de milhocina suplementada com glucose. As massas obtidas em todos os experimentos foram utilizadas para a extração de quitina e quitosana pelo método químico NaOH 1M 30:1v/m, à 121 °C por 15 minutos, c 2% 30:1 v/m, à 100 °C por 15 minutos e quitina com os NADES cloreto de colina e ácido lático a 80 ºC por 3 h com a massa em pó. Do caldo resultante do cultivo da milhocina foi realizado o isolamento do biossurfactante com uma solução de clorofórmio: metanol e o índice de emulsificação foi analisado após 24 h da mistura do líquido de cultivo com óleo de soja, através da razão da altura da camada de emulsificante com a altura total, multiplicada por 100. A análise estatística foi realizada pelo software STATISTICA 6.0. Como resultados a maior massa encontrada no planejamento de Plackett-Burman foi de 11,93 g/L e os parâmetros glucose, peptona, asparagina e temperatura foram considerados relevantes para o incremento de biomassa. No Box-Behnken a concentração de 40 g/L de glucose e 27,5 g/L de peptona haveria uma maior produção de biomassa. Com todas as condições otimizadas o cultivo em meio de milhocina obteve um rendimento de 13,62 g/L de massa seca. A produção de quitina e quitosana por método químico demonstrou resultados inferiores aos encontrados na literatura, com 66,66 mg quitina/g de massa e 12,66 mg de quitosana/g de massa. A extração com NADES obteve melhores rendimentos de quitina com 973 mg/g, resultado superior ao encontrado na literatura. O rendimento do biossurfactante de 2,64 g/L foi próximo ao relatado pela literatura, porém o índice de emulsão em óleo de soja foi baixo (22,78%). Sendo assim, o presente trabalho estabeleceu as melhores condições de cultivo para C. elegans DSM 1255, resultando no maior rendimento de biomassa relatado até o momento para essa cepa. A extração de quitina com NADES demonstrou uma grande eficiência, mas que ainda necessita da comprovação de que o material é composto somente por quitina. O biossurfactante demonstrou um bom rendimento, mas com baixo índice de emulsão havendo a necessidade de testes em outros materiais para testar a estabilidade de emulsão.
Abstract: The advancement of technological, agricultural, and urban sectors increasingly requires the use of polymers for their activities to take place. The search for natural polymers emerges as a demand for these sectors, since conventional ones can have a high production cost, in addition to causing environmental damage. The production of these can be done through the cultivation of microorganisms, which in their structure have important biopolymers such as chitin and chitosan. Therefore, the objective of this work was to analyze the best cultivation conditions for C. Elegans DSM1255, to produce biomass, chitin, chitosan and biosurfactant. As a methodology, the best physicochemical cultivation conditions were determined using a Plackett-Burman planning with 7 variables (concentration of glucose, nitrogen, asparagine, spores, pH, temperature, and duration of cultivation). Followed by a Box-Behnken design to optimize glucose and peptone amounts. With the optimization, the microorganism was grown in corn steep liquor medium supplemented with glucose. The masses obtained in all experiments were used for the extraction of chitin and chitosan by the chemical method NaOH 1M 30:1v/m, at 121 °C for 15 minutes, CH₃COOH 2% 30:1 v/m, at 100 °C for 15 minutes and chitin with the NADES choline chloride and lactic acid at 80 ºC for 3 h with the powder mass. The biosurfactant was isolated from the broth resulting from the cultivation of cornstarch with a chloroform: methanol solution and the emulsification index was analyzed after 24 h of mixing the culture liquid with soybean oil, through the ratio of the height of the emulsifier layer with the total height, multiplied by 100. Statistical analysis was performed using the STATISTICA 6.0 software. As a result, the highest mass found in the PlackettBurman design was 11.93 g/L and the parameters glucose, peptone, asparagine, and temperature were considered relevant for the increment of biomass. In the Box-Behnken concentration of 40 g/L of glucose and 27.5 g/L of peptone there would be a greater production of biomass. With all the conditions optimized, the cultivation in corn steep liquor medium obtained a yield of 13.62 g/L of dry mass. The production of chitin and chitosan by chemical method showed lower results than those found in the literature, with 66.66 mg chitin/g of mass and 12.66 mg of chitosan/g of mass. Extraction with NADES obtained better chitin yields with 973 mg/g, a result superior to that found in the literature. The biosurfactant yield of 2.64 g/L was close to that reported in the literature, but the soybean oil emulsion index was low (22.78%). Therefore, the present work established the best cultivation conditions for C. Elegans DSM 1255, resulting in the highest biomass yield reported só far for this strain. The extraction of chitin with NADES showed great efficiency, but it still needs to be proven that the material is composed only of chitin. The biosurfactant showed good performance, but with a low emulsion index, requiring tests on other materials to test the stability of the emulsion.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31608
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