Development of foam-free biosurfactant production processes

Abstract

Os biosurfactantes (BS) são compostos anfifílicos produzidos por animais, plantas e microrganismos, que se distribuem na interfase entre fluidos, alterando as suas propriedades, como a tensão superficial (TS) e interfacial (TIF), além de apresentar atividade emulsionante. O interesse na utilização dos BS como uma alternativa menos prejudicial para o meio ambiente do que os surfactantes sintéticos têm aumentado nos últimos anos. Diferentes estratégias têm sido utilizadas de modo a melhorar a sua produção e diminuir os custos de produção. Diferentes estirpes do género Bacillus têm sido descritas como produtoras de BS lipopeptídos em condições de aerobiose e anaerobiose. No entanto, a produção de BS em aerobiose está associada à formação de espuma, devido à elevada agitação e arejamento necessários para a sua biossíntese. Uma alternativa pouco explorada para ultrapassar este problema é a produção de BS em anaerobiose ou em condições limitantes de oxigénio. Apesar da produção de BS em anaerobiose por estirpes de Bacillus licheniformis ter sido demonstrada, é uma alternativa pouco explorada. Neste trabalho, quatro estirpes de B. licheniformis foram avaliadas para a produção de BS em condições limitantes de oxigénio, utilizando dois meios de cultura minerais (MSM1 e MSM2) contendo glucose (20 g/L) como fonte de carbono. A estirpe B. licheniformis W16 foi a única que diminuiu a TS por volta de 30 mN/m, indicando a produção de BS. No entanto, devido à variabilidade obtida nos resultados de ensaios posteriores, B. licheniformis EL3 foi selecionada para estudar a produção de BS em condições limitantes de oxigénio em biorreator. Após a otimização da estratégia de inoculação e da concentração de glucose, a estirpe EL3 produziu 75 ± 3 mg BS/L em 43 h, utilizando o meio MSM1, num processo livre de espuma. O rendimento de BS por substrato (YP/S= 0.007 g BS/g glucose) foi similar ao reportado para estirpes de Bacillus subtilis em condições semelhantes. Já o rendimento de biosurfactante por biomassa (YP/X= 0.755 g BS/g biomass) e a produtividade específica de BS (qBS= 0.018 g BS/(g biomassa × h)) foram quase três vezes maiores quando comparados com estudos prévios. O BS purificado demonstrou excelentes propriedades tensioativas, com valores mínimos de TS (29 mN/m) e concentração micelar crítica (27 mg/L) semelhantes aos obtidos com a surfactina. Em resumo, os resultados obtidos sugerem que B. licheniformis EL3 e um candidato promissor para o desenvolvimento de processos de produção de biosurfactantes livres de espuma.

Biosurfactants (BS) are amphiphilic compounds produced by animals, plants, and microorganisms, that accumulate at interphases between immiscible fluids, changing their properties. As a result, these biomolecules reduce surface and interfacial tension (ST, IFT), and exhibit emulsifying activity. Nowadays, there is a growing interest in the use of BS as environmentally-friendly alternatives to chemically-synthetized and petroleum-derived surfactants. Accordingly, different strategies have been studied, in order to improve their production and reduce the production costs. Several Bacillus spp. strains have been explored as lipopeptide BS producers, under aerobic and anaerobic conditions; however, aerobic BS production is associated to excessive foaming, due to the high agitation and aeration rates required for their biosynthesis. A not widely explored alternative to overcome this problem is BS production under anaerobic or oxygen-limited conditions. Although anaerobic BS production by Bacillus licheniformis has already been demonstrated, it has not been extensively explored. In this study, four B. licheniformis strains (ATCC10716, DSM13, HSN221, and W16) were screened for BS production under oxygen-limited conditions, using two mineral media (MSM1 and MSM2) containing glucose (20 g/L) as carbon source, in serum flasks. Among them, only B. licheniformis W16 reduced the ST to values around 30 mN/m, suggesting BS production. Despite the promising results obtained, due to some inconsistency observed in further assays performed with this strain, B. licheniformis EL3, previously isolated and studied by our research group, was selected to study BS production under oxygen-limited conditions in bioreactor. After optimizing the inoculum strategy and glucose concentration, the strain EL3 produced 75 ± 3 mg BS/L in 43 h, using the culture medium MSM1, in a foam-free process. BS yield per substrate (YP/S= 0.007 g BS/g glucose) was similar to the figures reported for Bacillus subtilis strains grown in similar conditions, whereas BS yield per biomass (YP/X= 0.755 g BS/g biomass) and specific BS productivity (qBS= 0.018 g BS/(g biomass × h)) were almost three times higher when compared to previous reports. The purified BS exhibited exceptional surface active properties, with minimum ST values (29 mN/m) and a critical micelle concentration (27 mg/L) similar to those achieved with commercial surfactin, the most powerful BS known so far. In summary, the results obtained indicate that B. licheniformis EL3 is a promising candidate for the development of foam-free BS production processes.