Goma xantana obtida por fermentação da glicerina bruta residual do biodiesel: produção, caracterização e aplicação para fluido de perfuração de poços de petróleo

Abstract

A goma xantana é um exopolissacarídeo sintetizado por bactérias Xanthomonas e de extrema importância no aspecto comercial devido às suas propriedades, principalmente por formar soluções viscosas em baixas concentrações com ampla faixa de estabilidade de pH e temperatura, sendo aplicado na indústria de alimentos, farmacêutica e petroquímica. O objetivo deste trabalho foi estudar a produção de gomas xantana em diferentes escalas fermentativas (shaker e bioreator) a partir da fermentação de substrato alternativo (glicerina bruta residual do biodiesel) usando cepas nativas de Xanthomonas, visando à caracterização do polímero obtido e o potencial de aplicação em fluido de perfuração de poços de petróleo. As xantanas obtidas foram avaliadas quanto à produção, viscosidade aparente, peso molecular médio (PM), termogravimetria (TGA), composição de açúcares e ácidos, e nos fluidos de perfuração base água. As 12 cepas de Xanthomonas foram mantidas em YM-Agar, repicadas periodicamente e 20% do inóculo preparado em meio YM foi transferido para o meio fermentativo. Inicialmente os meios fermentativos, controle e alternativo (2,0%, m/v), suplementado com KH2PO4 (0,1% m/v) e uréia (0,01% m/v) foram testados em shaker. As cepas X. campestris mangiferaeindicae 2103 e X. axonopodis pv manihotis 356 foram selecionadas em função da produção de xantana (5,5g.L-1 e 1,24g.L-1) e viscosidade aparente (69,50mPa.s e 67,16mPa.s), respectivamente. Para aumentar a produção de goma da cepa 356, foram testadas: variação da concentração de glicerina bruta e de inóculo em shaker e em bioreator de 4,5L com variação de agitação. Os resultados máximos obtidos de produção foram de 1,38 g.L-1 (shaker) e 2,13 g.L-1 (bioreator). Com base nesses resultados, foi realizada a otimização da produção de goma xantana por fermentação da glicerina bruta com a cepa 2103, através de um planejamento estatístico em estrela DCCR (Delineamento Composto Central Rotacional) fracionado 22 com 4 pontos axiais e triplicata no ponto central, totalizando 11 ensaios. Duas variáveis independentes (agitação e aeração) foram avaliadas durante a fermentação em bioreator por 120 horas, sobre as respostas (produção de xantana, massa celular e viscosidade aparente). A agitação e aeração apresentaram efeitos estatisticamente significativos (p<0,05) na produção de massa celular e na viscosidade, e para a produção de xantana, apenas a agitação foi significativa. O ensaio 9 (1,0vvm de aeração e 500 rpm de agitação) resultou em maior produção de goma (6,34 g.L-1) aliada a maior viscosidade aparente de 252,38mPa.s (0,5%, 25ºC e 25s-1), e massa celular de 3,13 g.L-1. As condições melhores controladas em bioreator resultaram no aumento de 253,65% na viscosidade apesar de não ter aumentando a produção. A viscosidade aparente da goma produzida em bioreator foi maior que a produzida em shaker e as gomas obtidas apresentaram propriedades pseudoplásticas com pesos moleculares próximos ao da goma xantana comercial e altamente piruvatada (18,6%), um importante indicador na qualidade reológica nas xantanas. O comportamento de TGA também foi similar ao da goma comercial. A aplicação de baixa concentração da goma xantana e da glicerina bruta, como lubrificante, em nova formulação de fluido de perfuração base água apresentou resultados de leituras reológicas, força gel, volume de filtrado, viscosidade aparente, viscosidade plástica e coeficiente de lubricidade bastante promissores e evidenciaram propriedades próximas aos parâmetros estabelecidos na exploração de poços de petróleo.