Otimização da produção da biovanilina através da valorização da fibra de milho

Abstract

A vanilina representa o aroma da baunilha, sendo este um dos aromas mais apreciados globalmente. Este aroma é utilizado maioritariamente na indústria alimentar, cosmética e farmacêutica. São vários os métodos de obtenção da vanilina. No entanto, esta via de trabalho implica a produção da vanilina por bioprocesso através da degradação do ácido ferúlico - substrato - pela Amycolatopsis sp. ATCC 39116 - microrganismo. Desta forma, a principal necessidade deste trabalho é a purificação do substrato – ácido ferúlico – e do produto final – vanilina. Em relação ao ácido ferúlico, a primeira etapa - Separação do ácido ferúlico dos arabinoxilanos - consistiu na realização de uma ultrafiltração numa MetCell cross-flow, em que os arabinoxilanos apresentaram uma alta rejeição à membrana Nadir UP150, enquanto o ácido ferúlico conseguiu permear através da mesma, obtendo-se uma recuperação deste composto no permeado final global de 77% ± 0,05. A segunda etapa relativamente ao ácido ferúlico foi a realização de uma extração líquido-líquido com soluções modelo (solução aquosa apenas de ácido ferúlico com concentração de 3 g/L). Relativamente à vanilina, foram realizadas três etapas distintas para a purificação deste composto. A primeira etapa consistiu na purificação através de uma ultrafiltração com uma membrana GH, utilizando soluções modelo, cujo objetivo foi que os vanílicos e o ácido ferúlico permeassem totalmente através da membrana, de forma a reter macromoléculas existentes no caldo de fermentação. No entanto, as rejeições à vanilina e ao ácido ferúlico foram mais elevadas do que o esperado, tendo-se obtido uma percentagem de 33,96% e de 48,93%, respetivamente. A segunda etapa contou com a concentração da vanilina por osmose inversa utilizando duas membranas distintas – SW 30 e BW 30 – o objetivo foi avaliar qual destas membranas apresenta uma maior rejeição à vanilina, e se simultaneamente alguma destas membranas era capaz de permear o ácido ferúlico. Este processo de osmose inversa foi realizado com soluções modelo, mas também com solução real (caldo de fermentação). Para o processamento da solução real os resultados de rejeição à vanilina foram bastante mais satisfatórios do que para a solução modelo. Com a solução modelo a rejeição à vanilina foi de 67% ± 0,03 para a membrana SW 30 e de 66% ± 0,03 para a BW 30, ao passo que a rejeição obtida para a SW 30 com solução real foi de 99,73%. No entanto, estas duas primeiras etapas, que utilizaram membranas, tiveram percentagens altas de adsorção de vanilina e ácido ferúlico por parte das diferentes membranas. A terceira, e última etapa, de purificação da vanilina consistiu numa extração líquido-líquido, com soluções modelo de vanilina com uma concentração de 5 g/ L. Para este processo foram utilizados quatro solventes distintos. Esta etapa teve como finalidade observar se algum destes solventes era seletivo para a vanilina. Adicionalmente, foi também realizada uma diálise de forma a observar se seria possível a redução da cor acastanhada do caldo de fermentação. E por último, realizaram-se testes rápidos do bioprocesso com o ácido ferúlico obtido pela extração líquido-líquido de solução real.

Vanillin represents the vanilla flavoring and is one of the most appreciated flavorings globally. This aroma is mainly used in food, cosmetic and pharmaceutical industries. There are several methods of obtaining vanillin. However, this works route involves the production of vanillin by bioprocess through the degradation of ferulic acid - substrate - by Amycolatopsis sp. ATCC 39116. - microorganism. Thu this work had as a main objective the purification of the substrate and the final product. Therefore, this work had as main objective the purification of the substrate and the final product - vanillin. Regarding ferulic acid, the first step - Separation of ferulic acid from arabinoxylans - consisted in performing an ultrafiltration in a MetCell crossflow, in which the arabinoxylans showed high rejection to the Nadir UP150 membrane, while ferulic acid was able to permeate through it, obtaining a recovery of this compound in the overall final permeate of 77 % ± 0,05. The second purification step was to perform a liquid-liquid extraction with model solutions (aqueous solution of ferulic acid with a concentration of 3 g/ L). Regarding vanillin, three different steps were performed to purify this compound. The first step consisted of purification through ultrafiltration with a GH membrane, using model solutions, the aim of which was that the vanillic compounds and ferulic acid permeated completely through the membrane, retaining existing macromolecules in the fermentation broth. However, the rejections to vanillin and ferulic acid were higher than expected, obtaining a percentage of 33,96% and 48,93%, respectively. The second step involved the concentration of vanillin by reverse osmosis using two different membranes – SW 30 and BW 30 – the goal was to evaluate which of these membranes presents higher rejection of vanillin, and if simultaneously any of these membranes was able to permeate ferulic acid. This reverse osmosis process was performed with model solutions, but also with real solution (fermentation broth). For the processing, of the real solution the vanillin rejection results were much more satisfactory than for the model solution. With the model solution the vanillin rejection was 67% ± 0,03 for the SW 30 membrane and 66% ± 0,03 for the BW 30 membrane, while the rejection with the real solution obtained for the SW 30 membrane was 99,73%. However, these first two stages, which used membranes, had high percentages of adsorption of vanillin and ferulic acid by the different membranes. The third, and last step of vanillin purification consisted of a liquid-liquid extraction, with model vanillin solutions at a concentration of 5 g/ L. Four different solvents were used for this process. The purpose of this step was to observe if any of these solvents was selective for vanillin. Additionally, a dialysis was also performed to observe it if would be possible to reduce the brownish color of the fermentation broth. And finally, rapid tests were performed with the ferulic acid obtained by liquid-liquid extraction of real solution.