CONVERSIUNEA MICROBIANĂ A DEȘEURILOR DE ALIMENTE ȘI ULEI ÎN SURFACTANTI BIO

(MICROCIRCLE)

SCOPUL PROIECTULUI

Scopul proiectului este de a demonstra capacitatea unor tulpini bacteriene selectate de a produce biosurfactanți prin fermentație controlată și procesare post-biosinteză și de a valorifica deșeurile uleioase vegetale sau sintetice, precum și subproduse hidrofile, cum ar fi biodieselul derivat din glicerol, prin transformarea acestora din deșeuri în produse cu valoare adăugată, și anume biosurfactanți. Pentru atingerea acestor obiective se va aplica ingineria bioproceselor în vederea creșterii și dezvoltării Bacillus sp. și Pseudomonas sp. tulpini cu capacitate îmbunătățită de a produce biosurfactanți în supernatanții de fermentație, cu proprietăți specifice agenților de suprafață cu compoziție determinată și reproductibilă.

PAȘI PENTRU REALIZAREA MODULULUI DEMONSTRATIV

1. Pregătirea și optimizarea mediilor de creștere specifice (preinocul, inocul și medii de fermentație) pentru microorganismele implicate în studiu;
2. Menținerea și dezvoltarea tulpinilor microbiene în condiții specifice pentru producerea de biosurfactanți;
3. Separarea post-biosinteză a biomasei microbiene din mediul de fermentație, depășind dificultățile binecunoscute ale separării celulelor bacteriene;
4. Prelucrarea supernatantului prin metode specifice precum ultrafiltrarea și fracționarea prin precipitare sau metode de extracție solid-lichid;
5. Caracterizarea chimică a produsului obţinut prin utilizarea metodelor de cromatografie şi spectrometrie de masă;
6. Testarea proprietăților produsului: formarea și stabilizarea emulsiei, proprietăți antimicrobiene, toleranță la pH și temperatură;
7. Stabilirea unui model experimental pentru aplicarea produsului.

În ultimii ani s-au răspândit problemele cauzate de gradul tot mai mare de poluare a mediului, ceea ce a forțat, la nivel global, căutarea unor soluții eficiente de remediere, economia circulară fiind una dintre soluțiile care pot contribui la dezvoltarea durabilă. Dezvoltarea durabilă este o preocupare majoră, deoarece țările încearcă să implementeze strategii pentru reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră și valorificarea deșeurilor [1]. Utilizarea biosurfactanților în acest scop a apărut ca o metodă eficientă și „ecologică” [2]. În comparație cu agenții tensioactivi obținuți prin sinteză chimică, biosurfactanții au avantajul diversității, ceea ce le asigură o mai bună aplicabilitate în diverse domenii industriale precum: industria chimică, petrochimică și petrolieră, minerit, industria metalurgică (în principal bioleșiere), agrochimică, alimentară și farmaceutică. industrie [2].

Biosurfactanții de origine microbiană pot fi utilizați atât ca agenți emulgatori, cât și ca deemulgatori, agenți de umectare, agenți de spumare, ca ingrediente funcționale în alimente și detergenți [3]. Biosurfactanții posedă atât grupări hidrofile, cât și hidrofobe, ceea ce le permite să adere la interfețele dintre lichide cu polarități opuse, așa cum este cazul amestecurilor apă-hidrocarburi, reducând astfel tensiunea superficială [4,5]. Principala lor proprietate, aceea de a reduce tensiunea superficială la interfața dintre lichidele nemiscibile, joacă un rol important în recuperarea petrolului și în bioremediere, caracteristică pe care se bazează economia circulară [6].

În ceea ce privește stadiul tehnicii, din 1972, Itoh și Suzuki au demonstrat că mediile de cultură hidrocarburi au stimulat creșterea P. aeruginosa, un microorganism care produce ramnolipide [7]. Rezultatele cercetărilor recente au confirmat efectele biosurfactanților asupra hidrocarburilor, prin creșterea accesibilității acestor tipuri de substraturi pentru microorganismele care accelerează biodegradarea acestora [8]. Studiile efectuate de alți cercetători [9] au arătat că biosurfactanții cresc solubilitatea acestor tipuri de compuși organici la concentrații apropiate de Concentrația Micelală Critică (CMC), ceea ce îmbunătățește disponibilitatea acestora pentru microorganismele capabile de biodegradare. În comparație cu agenții tensioactivi sintetici, biosurfactanții au alte avantaje importante, inclusiv biodegradabilitatea și biocompatibilitatea [10,11]; prin urmare, pot fi utilizați cu succes ca agenți de curățare a mediului, agenți de detoxifiere pentru apele uzate industriale și agenți de bioremediere pentru solul contaminat. Microorganismele ca producători se pot dezvolta în fermentații scufundate, pe medii care conțin subproduse sau deșeuri rezultate din diverse industrii sau ca efect al factorilor antropici (activitatea umană) [12].

Prin urmare, noutatea proiectului este că tulpinile microbiene, nou izolate din natură și caracterizate, au o biomasă crescută semnificativ în fermentațiile scufundate, pe medii care conțin 5% glicerol și au produs biosurfactanți care au format emulsii stabile cu heptan, octan și ulei de floarea soarelui. Glicerolul utilizat în fermentații ca sursă de carbon este un produs secundar rezultat din producția de biodiesel; acest proces nu este valorificat în întregul său potențial; folosirea lui ca substrat pentru a obține biosurfactanți ar reprezenta o valorificare semnificativă. Rezultatele obţinute în urma cercetărilor efectuate de Institutul Naţional de Cercetare şi Dezvoltare Chimică Farmaceutică (INCDCF-ICCF) şi Institutul de Cercetare în Economie Circulară şi Mediu „Ernest Lupan” (IRCEM) arată că tulpinile microbiene utilizate în biosinteză sunt buni producători de biosurfactanţi. și că emulsiile formate de biosurfactanții lor cu heptan, octan și ulei de floarea soarelui sunt stabile de peste un an [13-15]. După cum sa menționat în literatură, valoarea indicelui de emulsionare (peste 50%) și stabilitatea emulsiilor (E24) sunt cele mai importante caracteristici pentru biosurfactanți [16].

Biosurfactanții obținuți în urma procesării mediilor de fermentație au demonstrat, în experimente de laborator, o bună activitate antimicrobiană împotriva unor fitopatogeni importanți precum Ervinia carotovora și Xanthomonas campestris; aceasta recomandă tulpinile selectate ca agenți de biocontrol [14]. Având în vedere rezultatele obținute la nivel de laborator, considerăm că aplicațiile în care pot fi utilizate sunt extrem de variate: în bioremedierea uleiurilor uzate, MEOR (Microbial Enhanced Oil Recovery) pentru recuperarea uleiului din zonele poluate, în agricultură pentru protecția culturilor împotriva unele microorganisme fitopatogene, în industria cosmetică și alimentară ca agenți de emulsionare a uleiului, în industria farmaceutică, ca agenți de prevenire a aderenței microorganismelor patogene și a formării biofilmului, precum și în industria detergenților, ca agenți tensioactivi [17].

Deși costul de producție al biosurfactanților este mult mai mare decât în cazul surfactanților sintetici, dezvoltarea proceselor de obținere pe bază de substraturi ieftine (glicerol) sau deșeuri (uleiuri uzate) ar contribui la reducerea decalajul dintre aceste costuri și o cotă de piață crescută a acestor produse, care sunt cu mult superioare celor sintetice în ceea ce privește implicațiile asupra conservării mediului [18].

Proiectul își propune să contribuie la rezolvarea unei probleme specifice în domeniul biosurfactanților industriali și anume: dezvoltarea tehnologiilor bazate pe procese de fermentație pentru conversia subproduselor și a deșeurilor în biosurfactanți cu structuri și aplicații diferite ca alternativă la agenții tensioactivi sintetici.

Obiectivul principal al proiectului este dezvoltarea metodelor biotehnologice care să permită utilizarea subproduselor și a deșeurilor pentru producția microbiană eficientă de biosurfactanți cu proprietăți îmbunătățite și impact benefic asupra mediului. Acest obiectiv este corelat cu o serie de obiective specifice rezultate din succesiunea etapelor propuse pentru realizarea obiectivului general.

Proiectul a demonstrat capacitatea tulpinilor bacteriene Bacillus și Pseudomonas de a produce biosurfactanți prin fermentație controlată. S-au obținut rezultate remarcabile în optimizarea mediilor de creștere, dezvoltarea tulpinilor microbiene, separarea biomasei post-biosinteză și procesarea supernatantului pentru izolarea biosurfactanților. Acestea au fost caracterizate chimic și testate pentru stabilitatea emulsiilor, activitatea antimicrobiană și toleranța la pH și temperatură. Diseminarea rezultatelor a inclus publicarea a patru articole științifice, participarea la opt conferințe și simpozioane internaționale, realizarea de postere, fișe tehnice și pliante, precum și crearea unei pagini web dedicate proiectului. În plus, a fost depusă o cerere de brevet (număr A/00729/23.11.2023) pentru protejarea inovațiilor din cadrul proiectului. Vizitele de studiu la Universitatea Vasile Alecsandri din Bacău și Universitatea din Malaga au fost esențiale pentru schimbul de cunoștințe și colaborare internațională.