Strategies of improving gluconic acid production using pressurized bioreactors

Abstract

O ácido glucónico (AG) é um ácido orgânico versátil obtido industrialmente por fermentação submersa com Aspergillus niger utilizando xarope de glucose como substrato, o que aumenta os custos globais de produção de AG. A produção de AG é um bioprocesso com extrema necessidade de oxigénio. Esta tese de doutoramento teve como objetivo avaliar processos alternativos para a produção de AG, explorando outro microrganismo (Aureobasidium pullulans) e, ao mesmo tempo, estudar o processo com esta espécie e A. niger com novas condições operacionais. Foram estudadas diversas estratégias para aumentar a taxa de transferência de oxigénio, nomeadamente o aumento da pressão total do ar, o que foi pouco estudado para este bioprocesso, comparando-a com abordagens tradicionais de aumento de agitação e/ou arejamento em biorreatores clássicos, e também a utilização de biorreactores do tipo airlift. O potencial de utilização de subprodutos agroalimentares como matéria-prima, em vez de glucose pura para a produção de AG também foi avaliado. As maiores produtividades de AG a partir de glucose pura foram alcançadas em altas condições de OTR em culturas descontínuas de A. pullulans num reator de tanque agitado (RTA) e o aumento da pressão do ar até 4 bar num RTA pressurizado foi uma estratégia eficaz de melhoria da produção de AG e OTR. A. pullulans foi capaz de induzir as defesas contra o stress oxidativo, uma vez que as maiores atividades da superóxido dismutase foram encontradas à pressão de 4 bar. Rendimentos de AG próximos de 1 foram obtidos a partir de glucose e melaço de cana (MCA) com maiores valores de OTR num biorreator RTA. Num RTA pressurizado a 4 bar, o rendimento de AG a partir de MCA foi o dobro do obtido com glucose pura. No biorreator airlift, também foram produzidos frutooligossacarídeos a partir de MCA. O mosto de uva e o MCA foram substratos adequados para a produção de AG em culturas descontínuas de A. niger num RTA pressurizado. Independentemente do substrato utilizado, a pressão do ar de 4 bar, levou a um aumento significativo na produção de AG. Com a adição de dois pulsos de MCA, foi alcançado a maior concentração de AG deste trabalho (140 g·L-1). Num RTA, 79 g·L-1 de AG foram obtidos a partir de melaço de soja. Esta tese de doutoramento comprovou o potencial da utilização de subprodutos para obter altos rendimentos e concentrações de AG e que biorreatores pressurizados são viáveis para serem aplicados em processos de elevada necessidade de oxigénio.

Gluconic acid (GA) is a versatile organic acid obtained industrially by submerged fermentation with Aspergillus niger using glucose syrup as substrate, which increases the global costs of GA production. The production of GA is an extremely oxygen-consuming bioprocess. This Ph.D. thesis aimed to evaluate alternative processes for GA production, by exploring another microorganism (Aureobasidium pullulans) and, at the same time, to extend the process with this species and A. niger to novel operating conditions. Several strategies to increase oxygen transfer rate were studied, namely increasing the total air pressure, which was poorly studied for this bioprocess, comparing it to traditional approaches of increasing agitation and/or aeration in classical fermenters, and also the use of airlift type bioreactors. The potential of using agro-food by-products as feedstocks instead of pure glucose for GA production was also evaluated. The highest productivities of GA from pure glucose were attained at high conditions of OTR in batch cultures of A. pullulans in a stirred tank reactor (STR) and the increase of air pressure up to 4 bar was an effective strategy of OTR and GA production improvement. A. pullulans was able to induce the defenses against oxidative stress since the highest activities of superoxide dismutase were found under 4 bar. GA yields close to 1 were obtained from glucose and sugarcane molasses (ScM) at the highest OTR in a STR bioreactor. In a pressurized STR at 4 bar, a 2-fold increase in GA yield from ScM was achieved compared to pure glucose. In the air-lift bioreactor, fructooligosaccharides were also produced from ScM. Grape must and ScM were suitable substrates for GA production in batch and step-wise fed-batch cultures of A. niger in a pressurized STR. Regardless of the substrate, the air pressure of 4 bar led to a significant enhancement of GA production. Adding two pulses of ScM, the highest GA titer of this work (140 g·L-1) was achieved. In a STR, a GA titer of 79 g·L-1 was obtained from soybean molasses. This Ph.D. thesis proved the potential of using by-products to obtain high yields and interesting titers of GA, which is a cost-effective strategy for GA production under a biorefinery and circular bioeconomy perspective. Moreover, it was proven that pressurized bioreactors, are feasible to be applied in processes of high oxygen demand.