BRPI0902629A2 - utilização de algaroba para a produção de polìmero polissacarìdeo base água do tipo goma xantana - Google Patents
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Abstract
UTILIZAçãO DE ALGAROBA PARA A PRODUçãO DE POLìMERO POLISSACARIDEO BASE áGUA DO TIPO GOMA XANTANA A presente invenção descreve um método prático para a utilização de algaroba para a produção de biopolimero aquoso-solúvel do tipo goma xantana, substituindo seja o meio de produção, seja o meio de crescimento, seja ambos os meios, usados no estado da arte de produção de GOMA XANTANA e conduzindo a processo com significativo ganho económico em relação aos processos habituais de produção de goma xantana é apresentada.
Description
UTILIZAÇÃO DE ALGAROBA PARA A PRODUÇÃO DE POLÍMEROPOLISSACARÍDEO BASE ÁGUA DO TIPO GOMA XANTANA
A presente invenção refere-se ao uso do vegetal Algaroba (Prosopisjuliflora) como matéria prima para processo industrial de produção depolissacarídeo, base água, do tipo goma xantana.
Goma xantana é produzida por ação de bactérias da espécieXanthomonas campestrís ou outras espécies de Xanthomonas em processo defermentação aeróbica a partir de uma fonte de carbono. O Biopol ímero GomaXantana é utilizável em inúmeros ramos da indústria quais sejam alimentícia,cosmética, farmacêutica, têxtil, de explosivos e de petróleo exibindo excelentescaracterísticas como viscosificante e apresentando efeito significativo comoestabilizante em emulsões bem como uma excelente resistência salina egrande resistência a alterações de pH assim como estabilidade à açãoenzimática o que torna crescente o uso de Goma Xantana como um aditivoimportante em considerável pluralidade de processos e produtos.
Esse biopolímero tem massa molecular na faixa de 0,5 a 12milhões dedaltons e consiste molecularmente de uma cadeia de carboidratos em queglucose, manose e ácido glucurônico na proporção de 2:2:1 estão arranjadosem uma cadeia principal constituída por ligações D-glucose-D-glucose (1-4) eem que a cada três unidades de glucose existe uma cadeia ramificadaconstituída por três carbohidratos sendo aquele ligado à cadeia glucosídica,uma manose acetiiada , o carbohidrato central, sendo um ácido glucurônico e oterceiro carbohidrato, uma manose contendo ligação acetal-1,3 com ácidopiruvico.
Numerosas publicações se referem à produção de polissacarídeos, baseágua, do tipo goma xantana, podendo ser citadas as patentes americanas: US3.020.206, US 3.251.749, US 3.391.060, US 3.271.267, US 3.427.226, US3.433.708, US 3.455.786, US 3.594.280, US 4.154.654 e US 4.282.321.
Goma Xantana é produzida por fermentação de fonte de carbono àbase de carbohidratos geralmente, glucose, sacarose, amido e outros em ummeio de cultura adequado onde nitrogênio mineral na forma de cátions amônioou nitrogênio orgânico bem como sais de potássio, magnésio, e outros íons emmenor concentração, dão condições a que o processo fermentativo transcorraseguindo uma cinética conhecida.
O procedimento usual para a realização da fermentação envolve doispassos diferenciados. Inicialmente, o microorganismo a ser utilizado ésubmetido a um cultivo adequado em pequena escala de forma a obter-se umaconcentração de bactérias relativamente elevada correspondente a essa fasedenominada de germinação ou de crescimento. Nessa fase, a bactéria nãoproduz o exopolímero ou o produz em muito baixa concentração. A populaçãodos microorganismos cresce significativamente nessa fase.
Por isso ela é denominada de fase de germinação ou de crescimento.
A partir daí, o material resultante dessa primeira etapa, tendo umaconcentração relativamente elevada, é inoculado no reator de fermentaçãoonde, em meio de fermentação, dito de produção, o desenvolvimento dobiopolímero é consolidado.
As matérias primas para a obtenção de goma xantana são normalmentecarbohidratos quais sejam glucose, dextrose e sacarose. Pelo fato de sacarosee glucose serem alimentos humanos há interesse em usar uma fonte decarbohidratos alternativa e cujo uso não influa na balança de alimentos.
Uma fonte de carbohidratos atrativa que pode ser aproveitada paraprodução desse biopolímero, é o extrato de vagens da planta algarobeira(Prosopis juliflora).
A algarobeira é uma Ieguminosa de ampla difusão, resistente aestiagens prolongadas e disseminada sendo originária da América Central e doSul e mesmo da índia, e que cresce bem em climas áridos atuando comoplanta de reflorestamento e forragens sendo uma xerófita que se desenvolvemuito bem no nordeste brasileiro e de forma mesmo descontrolada e agressivasendo mesmo competitiva com a flora nativa.
A algarobeira é excelente para a alimentação do gado com suasfolhagens e suas vagens e constituindo também fonte de excelente madeira. Aresistência desse vegetal aos climas de deserto é devida à sua capacidade deabsorção da umidade do ar que é por ela fixada por condensação earmazenada até suas raízes que são bastante longas.A algarobeira é utilizada para a produção de madeira, carvão vegetal,estacas, álcool, melaço, cachaça, alimentação animal e humana, apicultura,reflorestamento, ajardinamento e sombreamento, tornando-se, porconseguinte, uma cultura de importância econômico-social. No Nordestebrasileiro, esta xerófita, introduzida no início da década de 40, com o objetivode alimentar animais e de ser utilizada em reflorestamento, aparece atualmentecomo uma possível fonte de biopolímeros para constituírem-se em insumosvaliosos.
A produtividade média da árvore de Algaroba é de 3000kg por hectare,sendo superior por exemplo à do milho que é de 2000kg por hectare.
O farelo de algaroba que se constitui num produto industrial, é obtidopela moagem da vagem de algaroba uma vez seca e contém por volta de 55%de sacarose e é utilizado especialmente em rações animais. O farelo dealgaroba contém finos e fibras onde celulose e hemiceluloses são os principaiscomponentes.
O teor de carbohidratos da vagem de algarobeira é muito elevado, daordem de 75% em hidratos de carbono. Os açúcares são especialmentesacarose, e glucose. Também em sua composição, a parte protéica éimportante correspondendo a 10 %. Dessa forma a algaroba é fonte muito ricade carbohidratos que podem ser transformados adequadamente embiopolímeros do tipo goma xantana.
Na constituição global da vagem de algaroba, e, portanto, de seu farelo,os teores de potássio, magnésio, enxofre, ferro e outros micronutrientesexistente é muito semelhante à concentração destas espécies catiônicas nummeio de produção normalmente utilizado para o desenvolvimento dobiopolímero goma xantana.
Assim, sendo a algaroba e especialmente o farelo de algaroba umafonte de carbohidratos com alta concentração destes e, portanto, uma fonte decarbono privilegiada e havendo em sua própria constituição micronutrientesnitrogenados e também cátions e anions que são de mesma natureza dosmeios de cultura normalmente utilizados para o crescimento e para a produçãode biopolímeros aquoso-solúveis especialmente goma xantana porfermentação bacteriana adequada, a idéia é o uso da algaroba e seu farelodiretamente na produção de goma xantana.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se ao uso do vegetal Algaroba (Prosopisjulifíora) como matéria prima para processo industrial de produção depolissacarídeo, base água, do tipo goma xantana.
Mais especificamente, a presente invenção se refere ao aproveitamentodo farelo da vagem do vegetal Algaroba (Prosopis julifíora) de forma a obter-seo biopolímero aquoso-solúvel do tipo goma xantana.
Nesse aspecto é então o uso de extrato de Algaroba como fonte decarbono e como meio de desenvolvimento na fase de produção para aobtenção de polissacarídeo aquoso-solúvel do tipo goma xantana.
Não existe menção no estado da arte ao uso de extrato de Algarobacomo fonte para a produção de goma xantana ou similares tirando partido doalto teor de carbohidratos e da composição de micro nutrientes presentesnesse material conduzindo à produção do biopolímero goma xantana comganhos econômicos significativos em relação ao estado da arte da produçãodesse biopolímero.
Algaroba é o vegetal Prosopis julifíora, uma Ieguminosa de enormeresistência a solos áridos que caracterizam o semi-árido e a caatinga e quecresce com grande vigor no Nordeste brasileiro.
Utilização do farelo de algaroba para obtenção do biopolímero aquoso-solúvel do tipo goma xantana.
A utilização do farelo de algaroba como fonte direta de obtenção de umextrato aquoso rico em sacarose e que seja utilizado diretamente como fontede carbono e como meio de cultura para a produção de biopolímero do tipogoma xantana é uma alternativa inovadora já que permite ganhosconsideráveis comparativamente ao processo do estado da arte de obtençãodesse biopolímero já que com esse material, a fonte de carbono e o meio dedesenvolvimento e produção rico em cátions e anions necessário para abactéria responsável pela produção do exopolímero estão já contido nesserespectivo extrato.Assim, a fermentação desse extrato aquoso obtido do farelo de algarobacom microorganismos do tipo Xanthomonas campestris ou outras espécies deXanthomonas ou ainda outros microorganismos gera o biopolímero do tipogoma xantana correspondente ou outros biopolimeros respectivos.
Caracterização
A metodologia de obtenção desse extrato aquoso e sua purificaçãopreviamente á sua introdução no reator de fermentação para ser inoculado como meio de crescimento contendo as bactérias já em fase adequada dedesenvolvimento ou para ser inoculado com as bactérias de forma que elascresçam nesse meio orgânico, naturalmente rico em micronutrientes e espéciescatiônicas e aniônicas e de forma a que, nesse próprio meio, produzam oexopolímero do tipo goma xantana, constituem elementos importantes dessainovação.
A composição da vagem da algarobeira, segundo a Patente de InvençãoPI8601641 está indicada a seguir:
<table>table see original document page 6</column></row><table>
De forma geral, tomando em conta ainda outras informações, na vagemda algaroba, a semente está presente a 10-13% e da semente, 25-30%constituem o endosperma.A polpa da vagem da algaroba, composta pelo exocarpo e mesocarpo,responde por 56% do peso seco da vagem de algaroba. Na composiçãoquímica da polpa, encontra-se a sacarose em 46,3% do peso. Nas sementes,que perfazem cerca de 9%-11% do peso seco da vagem, encontram-se oepisperma (20%), o endosperma (32%) e os cotilédones (48%).
No endosperma, o polissacarídeo predominante é a galactomanana,composta basicamente por 46,28% de manose e 33,97% de galactose e queessa patente destaca.
A composição das vagens é conforme indicado a seguir sem consideraro teor de sacarose já indicado acima.
QUADRO X. Composição das vagens e folhas da algarobeira em divesos princípios nutritivos <g/kg MS).
<table>table see original document page 7</column></row><table>Dessa forma, o crescimento das células de Xanthomonas campestris érealizado em meio de extrato de algaroba com uma cinética de crescimentoadequada a esse meio.
Utilização do farelo de algaroba para obtenção do biopolímero aquoso-solúvel do tipo goma xantana.
Por esse módulo a matéria prima é o farelo de algaroba do tipo daquelefornecido por empresas especializadas. Este farelo é extraído com água e oextrato aquoso é utilizado diretamente na produção do biopolímero aquoso-solúvel do tipo goma xantana.
A composição de um extrato desse farelo é rica em carbohidratos ateores superiores a 50%, em proteínas a 25% , glucídios a 5%, bem como oselementos e microelementos em que se destacam potássio, cálcio, magnésio,ferro, manganês e fosfato.
O processo
Duas formas de utilização são protegidas por essa patente: a utilizaçãodo extrato aquoso como meio de produção e a utilização do extrato aquosoencadeadamente como meio de crescimento e meio de produção no mesmoreator.
O farelo de algaroba é recebida dos centros de plantação e produção eestocada adequadamente com cuidados quanto à sua manutenção e protegidaquanto à sua conservação física e ao desenvolvimento de organismos emicroorganismos que possam danificá-la ou comprometê-la.
Aproximadamente 150g de farelo de algaroba são peneirados empeneira de 60 mesh separando-se o material constituído principalmente defibras que não é utilizado.
68 gramas de farelo de algaroba já peneirado são suspensos em um litrode água e batidos em liqüidificador de forma a que praticamente 90 % domaterial se dispersa de forma homogênea.
A suspensão é filtrada em filtro de 350 mesh e o material obtido éutilizado de duas formas diferentes.
Esse extrato aquoso apresenta um teor da ordem de 56% de sacaroseconforme quantificado por HPLC.Deve ser destacado que esse processo se refere à obtenção e utilizaçãodo extrato aquoso do conteúdo da vagem no caso na forma de farelo dessavagem o que não se restringe a essa mesma forma, podendo ser umaalternativa comprimir-se a vagem em água sem tê-la secado previamenteobtendo-se da mesma forma um extrato do material que seguirá processoanálogo ao descrito a seguir.
Utilização da solução aquosa resultante da extração do farelo dealgaroba como meio de produção do biopolímero goma xantana500ml da solução obtida segundo o item anterior foram esterilizados a125°C e a ele foram adicionados 100ml de uma solução do meio decrescimento YM em que se tenha desenvolvido por 55 horas, conforme oestado da arte, os microorganismos Xanthomonas campestris.
O meio de cultura YM é composto, como sabido, por fermento, malte efonte de nitrogênio no caso peptona. A referência apresenta a preparaçãodesse meio de cultura. Tal meio de cultura, após esterilização a 125°C forainoculado com o equivalente a 1 ml de solução desenvolvida previamente econgelada em Ependorf, de Xanthomonas campestris. Não há restrição algumaquanto à cepa de Xanthomonas campestris a ser utilizada. Após 55 horas decrescimento em que a cinética desse crescimento bacteriano atinge sua faselag, essa solução de meio de cultura contendo os microorganismossuficientemente crescidos é adicionada conforme indicado, a 500ml do meioconstituído pelo extrato aquoso de farelo de algaroba .
O desenvolvido do biopolímero é prosseguido sob agitação orbital emshaker e a 27 °C. Após 72 horas, em que o meio atinge viscosidade e aspectoindicadores da presença do biopolímero em concentração adequada, o meio étratado com isopropanol e a goma xantana é precipitada e, após lavagem, ésecada e caracterizada adequadamente por técnicas químicas,cromatográficas e espectroscópicas.
Utilização da solução aquosa resultante da extração do farelo dealgaroba como meio de crescimento do microorganismo Xanthomonascampestris e meio de produção do biopolímero goma xantana.500ml da solução obtida segundo o item anterior, foram esterilizados a125°C e a ele são adicionados o equivalente a um Ependorf correspondente a1ml de solução de meio de cultura com células de Xanthomonas campestris,conservado até então congelado, conforme descrito no estado d'arte daprodução do biopolímero goma xantana.
Colocado em shaker com agitação orbital de 350rpm, o crescimentobacteriano foi acompanhado até que os microorganismos atingissem a fase Iagnesse meio de crescimento.
Ainda no mesmo erlemeyer, o sistema é deixado por tempo adequado aque a fermentação levando à produção do exopolímero, se estabeleça e seconsolide. Tempos totais de crescimento e de produção com o mesmo meiode desenvolvimento são, via de regra, menores que os obtidos com os meiosde cultura habituais do estado da arte da produção de goma xantana. Em 75horas em média, desde a inoculação do Ependorf contendo a soluçãocongelada de células, obtém-se o processo completo com crescimento eprodução.
Assim, o extrato do farelo da vagem de algaroba, por essa forma deutilização dispensa o uso de matéria prima açúcar propriamente dito e dispensaos insumos que correspondem aos meios de crescimento e produção habituaisde goma xantana.
Dessa forma, o extrato em consideração é o meio de cultura para afermentação com microorganismos do tipo Xanthomonas campestris resultandona goma xantana produzida integralmente a partir do extrato de algarobasubstituindo as fontes habituais de carbohidratos mono e dissacarídeossacarose, glucose ou dextrose normalmente utilizados e dispensando tambémos componentes do meio de cultura normalmente utilizados para a produçãodesse biopolímero.
Tal se justifica por que o extrato aquoso da vagem de algaroba jácontém, não só um teor adequado e elevado de carbohidratos, bem como desubstâncias de caráter protéico e também teores de micronutrientes mineraisque permitem uma simplificação considerável no processo fermentativo,dispensando os meios habituais de crescimento e de produção de GomaXantana1 sendo todo o procedimento fermentativo realizado em meio de extratode algaroba.
Assim, o meio de produção que é caracterizado por açúcares ao lado deheteroelementos catiônicos quais sejam potássio, magnésio, cálcio, ferro, zincoe aniônicos como fosfatos, nitratos e sulfatos, citratos e boratos, écompletamente substituída nessa invenção, por extrato de algaroba (depreferência extrato de farelo de algaroba).
Ficará claro aos versados na técnica que variações no meio de cultivopodem ser feitas, sem com isso fugir do conceito inventivo e escopo dainvenção. Assim, pretende-se que a presente invenção cubra tais modificaçõese variações, contanto que elas se encontrem no escopo das reivindicaçõesapensas e seus equivalentes.
Claims (9)
1.) Processo industrial para produção de polissacarídeo, base água dotipo goma xantana caracterizado por substituição da fonte de carbono,normalmente açúcares glucose, sacarose, dextrose é pelo substrato vegetalobtido a partir de vagens de algaroba sendo este utilizado na fermentaçãosob ação do microorganismo Xanthomas campestrís de cepa previamentedefinida ou outro microorganismo alternativo habitualmente utilizado paraobtenção de Goma Xantana.
2.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal obtido a partir de vagens de algaroba em substituiçãoaos meios de cultura de produção habituais do tipo SD e utilizando omicroorganismo Xanthomas campestrís de cepa previamente definida ou outromicroorganismo alternativo para obtenção de Goma Xantana.
3.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal obtido a partir de vagens de algaroba em substituição aosmeios de cultura de crescimento e de produção habituais do tipo YM e SD eutilizando o microorganismo Xanthomas campestrís de cepa previamentedefinida ou outro microorganismo alternativo para obtenção de Goma Xantana
4.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal obtido a partir de farelo de algaroba em substituição aosmeios de cultura de produção habituais do tipo SD e utilizando omicroorganismo Xanthomas campestrís de cepa previamente definida ou outromicroorganismo alternativo para obtenção de Goma Xantana.
5.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal obtido a partir de farelo de algaroba em substituição aosmeios de cultura de crescimento e de produção habituais do tipo YM e SD eutilizando o microorganismo Xanthomas campestrís de cepa previamentedefinida ou outro microorganismo alternativo para obtenção de Goma Xantana.
6.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal constituído de modo a que haja um aproveitamentoracionalizável de um vegetal que hoje é caracterizado como uma praga pelosecologistas e especialistas da biodiversidade da região Nordeste catalisando aimplantação de sistemas de plantações organizadas desse vegetal e seuaproveitamento.
7.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal constituído de forma a que o meio de produção dobiopolímero goma xantana é o extrato aquoso obtido a partir do farelo dealgaroba em que os açúcares constituintes deste extrato substituem a fonte decarbono carbohidrato normalmente utilizada nesse tipo de fermentação.
8.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal constituído de forma a que o meio de produção dobiopolímero goma xantana é o extrato aquoso obtido a partir do farelo dealgaroba em que os micronutrientes, aminoácidos, cátions e ânionsconstituintes deste extrato substituem o meio de produção normalmenteutilizado nessa fermentação que se constitui de sais de potássio, magnésio,cálcio, amônio e fosfatos.
9.) Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo usode substrato vegetal constituído em que o meio de produção e o meio decresciimento das células de Xanthomonas campestris para o a produção dobiopolímero goma xantana é o extrato aquoso purificado obtido a partir dofarelo de algaroba e em que o tempo de desenvolvimento do biopolímero émais curto que o tempo normalmente necessário para o processo no estado daarte da produção de goma xantana.
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2009
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