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Optimization methodology of classical chemical extraction of poly(3-hydroxybutyrate) synthesized by Ralstonia solanacearum

By Karine Laste Macagnan

Abstract

Poly (3-hydroxybutyrate) [P(3HB)] is the most important biopolymer from the polyhydroalcanoates (PHAs) families, and they are thermoplastics with rapid biodegradability and biocompatibility. The recovery process of bioplastics is an important stage in the production process. Development of safe, economic and environmentally friendly methodologies, that result in high yield biopolymer, is necessary for the attractive P(3HB) production. Therefore, the objective was to optimize the classical methodology for poly (3-hydroxybutyrate) recovery using chloroform as solvent. The bioprocess was performed in two phases, with Ralstonia solanacearum strain. In the first phase, inoculum production, was performed in Erlenmeyer 500 mL flasks, containing 160 mL medium YM and 40 mL bacterial suspension. The flasks were incubated in shaker for 24 h, 150 rpm and 28 °C. The second phase, P(3HB) production, was performed using Erlenmeyer 500 mL flask, containing 160 mL medium F4 and 20 % (v/v) inoculum, maintained in 28 °C, 200 rpm and 72 h. After fermentation cells were separated by centrifugation at 10,000 x g, washed with saline (0,89 % w/v) and dried at 56 °C. P(3HB), accumulation was quantified by gas chromatography. The extraction methodology was optimized according to: extraction time (2 h - 15 min), extractive solution/biomass separation (paper filter or separation funnel), state of cell (dry or fresh), and solvent ratio (10:1, 20:1 and 40:1 v/m). Polymeric films were obtained by evaporation from extractive solutions and they were analysed by Fourier Transform Infrared (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA) and Gel Permeation Chromatography (GPC). The P(3HB) accumulation was 51,15 %. Highest yields of film were obtained after 30 min heating, by funnel for extractive solution recovery, dry cell and solvent ratio 40:1 v/m; and highest recovery was 98 % of cumulated polymer in the cell. Characteristic bands of P(3HB) were obtained to produced films by FTIR analysis. Films from dried cells showed initial and final degradation temperature and crystallinity degree higher than and films these from fresh cell, however, they showed higher molar weight than the first ones. The classical chemical extraction of P(3HB) by chloroform with heating can be optimized, resulting in a 75 % reduction as well heating time extraction solution most fastest and economical. However, wasn’t possible replace the dry cell mass use by fresh cell mass or reduce the initial solvent proportion [40:1 (v/m)].Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGSO poli(3-hidroxibutirato) [P(3HB)] é o biopolímero mais estudado e caracterizado dentre a família dos polihidroxialcanoatos (PHAs), termoplásticos que têm como principais características a rápida biodegradabilidade e a biocompatibilidade. O processo de recuperação do bioplástico consiste em uma etapa importante no processo de produção. O desenvolvimento de metodologias mais seguras, econômicas e ambientalmente corretas, e que permitam um alto rendimento desse biopolímero, torna-se necessário para uma produção de P(3HB) economicamente e ecologicamente atrativa. Portanto, o objetivo do trabalho foi otimizar a metodologia clássica de recuperação de poli(3-hidroxibutirato) utilizando clorofórmio como solvente. O bioprocesso foi realizado em duas etapas, utilizando linhagem de Ralstonia solanacearum. O inoculo foi produzido em Erlenmeyers aletados de 500 mL, contendo 160 mL de meio YM e 40 mL de suspensão bacteriana, mantidos em incubador agitador orbital por 24 h, 150 rpm e 28 °C. A segunda etapa, produção de P(3HB), foi realizada utilizando Erlenmeyers aletados de 500 mL, contendo 160 mL de meio F4 e 20 % de inóculo, mantidos em 28 °C, 200 rpm e 72 h em incubador agitador orbital. Após a fermentação, as células foram separadas por centrifugação a 10.000 x g, lavadas com solução salina 0,89 % e secas a 56 °C. O acúmulo de P(3HB) na célula foi quantificado por cromatografia gasosa. A metodologia de extração foi otimizada em relação aos parâmetros: tempo de extração (2 h a 15 min), separação da biomassa/solução extrativa (papel filtro ou funil de separação), estado de célula (seca ou fresca) e proporção de solvente (10:1, 20:1 e 40:1 v/m). Por evaporação da solução extrativa foram obtidos filmes poliméricos. Os filmes recuperados foram analisados física e quimicamente por Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC), Análise Termogravimétrica (TGA) e Cromatografia de Permeação em Gel (GPC). O acúmulo de P(3HB) foi de 51,15 %. Os maiores rendimentos de filme foram obtidos após 30 min de aquecimento, utilizando funil de decantação para separar a solução extrativa da biomassa, célula seca, e proporção de solvente 40:1 v/m, alcançando-se recuperação de 98 % do polímero acumulado. A análise dos filmes através de FTIR resultou em bandas características de P(3HB). Os filmes oriundos de células secas tiveram temperaturas inicial e final de degradação e grau de cristalinidade superiores aos filmes de célula fresca. Todavia, os últimos apresentaram massa molar maior do que os primeiros. A metodologia clássica de extração química de poli(3-hidroxibutirato) por clorofórmio com aquecimento pode ser otimizada, resultando em redução de 75 % do tempo de aquecimento e separação da biomassa/solução extrativa mais rápida e econômica. Porém, não foi possível substituir a utilização de massa celular seca por fresca nem reduzir a proporção inicial de solvente de 40:1 (v/m)

Topics: Biotecnologia, Bioplástico, Clorofórmio, Poli (3-hidroxibutirato), Polihidroxialcanoato, Ralstonia solanacearum, Bioplastic, Chloroform, CNPQ::OUTROS
Publisher: Brasil
Year: 2014
OAI identifier: oai:repositorio.ufpel.edu.br:prefix/3698
Provided by: Guaiaca
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