Novo oleoduto produz ácido orgânico valioso a partir de plantas – economizando dinheiro e emissões

A equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois e da Universidade de Princeton criou um pipeline completo e econômico para esse valioso ácido orgânico, projetando uma levedura resistente e tolerante a ácidos como agente de fermentação, evitando etapas dispendiosas no processamento posterior. O ácido succínico é um aditivo amplamente utilizado em alimentos e bebidas e tem diversas aplicações em produtos agrícolas e farmacêuticos.

Este mesmo pipeline pode ser usado para produzir outros ácidos orgânicos industrialmente importantes visados ​​pelo CABBI em seu trabalho para desenvolver biocombustíveis e bioquímicos sustentáveis ​​a partir de culturas, disse o co-autor Huimin Zhao, Líder do Tema de Conversão do CABBI e Professor de Engenharia Química e Biomolecular (ChBE) em Illinois. Para reduzir a dependência de combustíveis fósseis, os investigadores da Conversion estão a utilizar micróbios para converter biomassa vegetal em produtos químicos utilizados em produtos de uso diário, como alternativa à produção convencional baseada no petróleo.

“Isso servirá como modelo para todos os outros produtos de engenharia metabólica no CABBI”, disse Zhao, um dos vários investigadores principais do CABBI no projeto. Outros PIs incluíram Vijay Singh, Diretor Adjunto de Ciência e Tecnologia do CABBI, Ilustre e Professor Fundador de Engenharia Agrícola e Biológica (ABE) e Diretor Executivo do Laboratório Integrado de Pesquisa em Bioprocessamento (IBRL) em Illinois; Jeremy Guest, Professor Associado de Engenharia Civil e Ambiental (CEE) em Illinois e parte do Tema de Sustentabilidade do CABBI; e o vice-líder do tema de conversão, Joshua Rabinowitz, professor de química e do Instituto Lewis-Sigler de Genômica Integrativa em Princeton.

O estudo, publicado em Comunicações da Natureza, é liderado pelo CABBI – um Centro de Pesquisa em Bioenergia do Departamento de Energia dos EUA – e financiado pelo BioMADE, um Instituto de Inovação em Manufatura com mais de 230 organizações membros em todo o país, incluindo empresas, universidades e organizações sem fins lucrativos. A BioMADE foi catalisada pelo Departamento de Defesa dos EUA e trabalha para garantir o futuro da América através da inovação, educação e colaboração na produção bioindustrial.

O trabalho baseia-se em anos de pesquisa sobre a produção de ácido succínico por Zhao e seus colegas usando Issatchenkia orientalis, uma levedura não convencional ideal para produzir ácidos orgânicos.

I. orientalis tem a capacidade única de prosperar em condições de pH baixo ou ácidas. A maioria dos organismos requer um ambiente de pH neutro para sobreviver, incluindo Saccharomyces cerevisiaeuma levedura mais convencional, ou Escherichia coli bactérias. Ambos têm sido usados ​​por empresas e laboratórios para produzir ácido succínico, mas revelaram-se demasiado dispendiosos, pelo que os esforços para aumentar a produção falharam, disse Zhao.

Esses microrganismos requerem a adição de uma base para neutralizar as condições ácidas tóxicas para que possam continuar a produzir ácido succínico. Mas isso gera produtos secundários, como gesso ou sulfato de cálcio, que têm de ser separados no final do oleoduto para purificar o produto, aumentando os custos de processamento a jusante.

“Um dos gargalos na produção de ácidos orgânicos é o custo de separação”, disse Zhao. “Temos que adicionar muita base para manter o pH próximo do neutro, entre 6 a 7.”

Com I. orientalis, no entanto, “o organismo vive feliz em um pH de 3 a 4”, portanto os aditivos não são necessários, disse Zhao. “No final, isso reduz significativamente os custos.”

Os pesquisadores do CABBI também fizeram extensa engenharia metabólica para religar I. orientalis para produzir níveis robustos de ácido succínico – mais altos do que qualquer um S. cerevisiae ou E. coli, ele disse. Usando a análise do fluxo metabólico do laboratório de Rabinowitz, eles identificaram as etapas do metabolismo da levedura que limitavam a produção de ácido succínico. Um obstáculo importante: nativo I. orientalis não pode utilizar a sacarose da cana-de-açúcar. Então foi adicionada uma enzima que poderia quebrar a sacarose do caldo da cana em glicose e frutose para produzir ácido succínico. Outros genes foram introduzidos para produzir ácido succínico em excesso.

Trabalhando com o grupo de Singh no IBRL, a equipe ampliou a produção de ácido succínico usando equipamentos industrialmente relevantes para realizar uma integração ponta a ponta do processo. O trabalho em escala piloto mostrou que as novas cepas poderiam produzir até 110 g/L de ácido succínico e, após fermentação em lote e processamento posterior, um rendimento geral de 64% – resultados impressionantes com significado comercial, disse Singh.

A combinação de níveis de produção mais elevados através da engenharia genética e custos mais baixos decorrentes da eliminação da separação a jusante torna o processo “muito atraente”, disse Zhao. “É por isso que o gasoduto é tão econômico, pelo menos nesta escala piloto.”

A etapa final foi trabalhar com Guest para simular um pipeline completo de produção de ácido succínico com pH baixo, usando a plataforma de software de código aberto BioSTEAM desenvolvida por seu grupo. A análise técnico-económica (TEA) e a avaliação do ciclo de vida mostraram que o processo era financeiramente viável e poderia reduzir as emissões de gases com efeito de estufa em 34% a 90% em relação aos processos de produção baseados em combustíveis fósseis.

“Estes avanços na engenharia metabólica podem trazer benefícios em grande escala, reduzindo simultaneamente os custos e os impactos ambientais em apoio a uma bioeconomia circular”, disse Guest.

O processo emite menos dióxido de carbono (CO₂) do que o processamento químico convencional à base de petróleo. Plantas como a cana-de-açúcar também absorvem carbono e CO₂ pode ser usado como substrato para o processo, reduzindo ainda mais sua pegada de carbono.

“É definitivamente mais amigo do ambiente. Essa é a premissa de toda a investigação no CABBI: utilizar recursos renováveis ​​para produzir produtos químicos e combustíveis”, disse Zhao.

Os pesquisadores planejam mais estudos de ampliação em breve para apoiar a comercialização do processo de produção de ácido succínico.

O trabalho também servirá de modelo para produção de outros produtos CABBI utilizando I. orientalis, incluindo ácido 3-hidroxipropiônico (3-HP). O mercado do 3-HP, usado em componentes de fraldas descartáveis ​​e selantes, ultrapassa US$ 1 bilhão, e as pesquisas até o momento mostram uma enorme promessa, disse Zhao.

“Nós esperamos I. orientalis pode servir como uma plataforma industrial geral para a produção de uma ampla variedade de ácidos orgânicos”, disse Vinh Tran, autor principal do artigo e estudante de doutorado em ChBE.

O projeto envolveu vários grupos de laboratório e contribuições de todos os três temas de pesquisa do CABBI – usando caldo de cana da equipe de pesquisa de Produção de Matéria-prima, pesquisas metabólicas e instalações de bioprocessamento da equipe de Conversão e análises econômicas e ambientais da equipe de Sustentabilidade.

Os co-autores incluíram os pesquisadores do CABBI Sarang Bhagwat da CEE e Yihui Shen do Departamento de Química de Princeton; Somesh Mishra da ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma e Benjamin Crosly do ChBE; e Jayne Allen da CEE.