Fractionation of sugarcane fermentation spent broths aqueous phase for production of value-added components towards an integrated biorefinery concept in synthetic biotechnology

Resumo

O resíduo aquoso de farneseno (FAW) consiste no caldo de fermentação que é gerado a partir da produção de trans-β-farneseno pela Amyris, Inc.. Este é gerado em grande escala sendo normalmente descartado no solo ou usado para fertirrigação, causando problemas ambientais. O objetivo deste projeto de doutoramento foi o estudo e fracionamento do FAW, desenvolvendo produtos de valor acrescentado, em linha com o conceito de economia circular. Consequentemente, desenvolveu-se um processo integrado de “downstream” e estudou-se a composição e atividade bioativa dos produtos resultantes para determinar potenciais aplicações. O FAW é constituído por um teor médio de matéria seca de cerca de 63,56±18,67 g/L, 10,08±3,75 g/L de cinzas, 18,71±5,97 g/L de proteínas, 1,15±0,47 g/L de amónia, 2,08±1,35 g/L de lípidos totais, 12,83±7,35 g/L de ácidos orgânicos, 10,63±4,95 g/L de açúcares totais, 1,00±0,56 g/L de compostos voláteis, e 23,31±15,8 mg/L de compostos fenólicos. Os compostos proteicos do FAW são, ainda, constituídos por pequenos péptidos com peso molecular inferior a 1 kDa e uma grande variedade de aminoácidos (AA). Da análise da constituição do FAW foi possível identificar as classes de compostos mais interessantes para posterior fracionamento: compostos proteicos, para serem usados como ingredientes para alimentação animal; minerais, com potenciais benefícios para fertilização de plantas; e compostos fenólicos, conhecidos pelas suas propriedades bioativas e potenciais aplicações em formulações cosméticas. Na recuperação das frações ricas em proteínas e minerais utilizaram-se métodos químicos, tais como a precipitação e sistemas aquosos bifásicos. No entanto, o uso de químicos e os resíduos produzidos podem originar preocupações ambientais e comprometer a sustentabilidade da estratégia de valorização. Neste sentido, desenvolveu- se um processo, sem a adição de produtos químicos e ambientalmente amigável, para remover os nutrientes do FAW e incorporá-los num produto que pudesse ser usado na agricultura. Este processo usa zeólitos naturais para remoção e recuperação de nutrientes, nomeadamente potássio (K), péptidos e AA (compostos azotados –N). As condições ideais para a recuperação simultânea de K e proteínas foram 0,2 Z/F (zeólito/FAW), agitação a 50 rpm, durante 10 horas e 2 unidades de contacto, num sistema de contracorrente. Este processo resultou na produção de zeólitos carregados com 3597,23±368,33 mg/kg de N amoniacal, 255,84±28,99 mg/kg de P, 36626,45±4215,54 mg/kg de K, 113,06±4,75 mg/kg de AA livres e 4700,31±346,90 mg/kg de AA totais. Também foram detetados péptidos nos zeólitos carregados. A composição destes é promissora para práticas agrícolas e os resultados de uma avaliação preliminar da fitotoxicidade indicam uma aplicação segura em plantas. O produto secundário obtido deste processo consiste em FAW tratado, uma fração aquosa que ainda contém uma carga considerável de nutrientes. Portanto, foi desenvolvida uma cascata de filtração por membrana, usando membranas com diferentes cut-off de pesos moleculares, para recuperar proteínas, minerais e compostos fenólicos para aplicação em formulações cosméticas e alimentação animal. Esta consistiu numa filtração sequencial usando membranas de micro-, ultra- e nano filtração. As duas etapas de ultrafiltração geraram frações retidas semelhantes em termos do teor de proteína (15,79±0,06 g/L e 6,96±0,03 g/L, respetivamente), minerais (7,83±0,14 g/L e 5,30±0,05 g/L, respetivamente) e compostos fenólicos totais analisados (22,65±0,44 mg/L e 27,15±0,06 mg/L, respetivamente) e demonstraram ter atividade antioxidante interessante. Estas frações foram idealizadas como ingredientes para ração de peixes. Quanto à nano filtração, obteve-se uma fração retida com um teor de proteína de 8,34±0,01 g/L, teor de minerais de 10,67±0,14 g/L e os compostos fenólicos totais analisados compreendiam 56,35±0,29 mg/L. O perfil de péptidos desta amostra consistiu em 2,59% de peptídeos com MW entre 1000 e 5000 Da, 50,58% na faixa de 500-1000 Da e 46,83% com peso molecular inferior a 500 Da. Esta fração também exibiu atividade antioxidante interessante. Devido ao teor significativo em pequenos péptidos e à necessidade de um maior processamento e investimento, esta fração retida foi pensada para mercados mais lucrativos, como cosméticos. O permeado tinha uma reduzida carga orgânica, podendo ser considerado um efluente tratado. Assim, desenvolveu-se um processo integrado para a valorização do FAW, que permitiu obter cinco produtos com potencial interesse comercial – um suplemento para a agricultura, ingredientes para aquacultura e cosméticos – adicionalmente a um efluente tratado.

Data do prémio	5 abr. 2024
Idioma original	English
Instituição de premiação	Universidade Católica Portuguesa
Supervisor	Catarina Silva Simão de Oliveira (Supervisor), João Porfírio da Silva Burgal (Co-Orientador) & Carla Oliveira (Co-Orientador)