BIORREATOR e FERMENTAÇÃO
BIORREATOR e FERMENTAÇÃO
SIMULAÇÃO TEÓRICA
Na indústria biotecnológica, Saccharomyces cerevisiae cresce de forma aeróbica para o maior valor possível de concentração em reatores em batelada e batelada alimentada visando maximizar a produção de uma etanol.
Para evitar a inibição do substrato, a concentração de glicose no meio de cultura é restrita a 200/dm^3. Com isso, será bombeado um fluxo com uma contração de glicose do meio de cultura (10 g/dm³, 20 g/dm³, 40 g/dm³, 60 g/dm³, 80 g/dm³, 100 g/dm³) em um volume inicial de 0,5 dm³ em um biorreator de 4 dm³de capacidade. Após grande quantidade dessa glicose ser consumida, uma alimentação de glicose concentrada é alimentada ao reator com várias vazão volumétrica (V0)= 0,1 mL/min, 0,4 mL/min, 0,8 mL/min, 1,2 mL/min e 2 mL/min). E o oxigênio do meio será constante a uma taxa 0,13 vvm. O produto, etanol, inibe o crescimento celular de forma linear, com uma concentração tóxica igual a Cp *= 100 g/dm³.
Dessa forma, iremos verificar a vazão volumétrica e a concentração de glicose ótima que maximize a produção de etanol no meio e a produção de massa celular quando o biorreator estiver cheio e a alimentação for negativa após a concentração de glicose abaixo de 10 g/dm^3.
A concentração do inóculo Kg é igual a 1 g de células /dm^3 ; Kis é a constante de inibição pelo substrato , Ks constante de saturação g/dm^3, umax = 0.33 h^-1; Kg = 1 g/dm^3; Ycs = 0.0589 (concentração inicial do substrato 60g) g/g; Yps = 0.455 g/g; Kla = 100 h^-1; Ypc = 0.0598 g/g; formação de um produto P a partir de uma levedura e segue a lei de crescimento de Monod.
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Equações utilizadas para simulação
Gráfico 1: Plote da concentração de substrato, levedura e produto com o tempo durante a fermentação em batelada simples
Verificou-se que a concentração do substrato decai drasticamente após 4 horas de operação. É importante destacar que a concentração de substrato não deve ser muito baixo(abaixo de 10 g/). Isto resultará em maior porcentagem de células mortas, por falta de nutrientes (FOGLER, H. SCOTT, 1995). Além disso, nas primeiras 4 horas de operação, começa a aumentar a concentração de células. Na etapa inicial de crescimento celular, a formação de produto é mínima. Pois, nesta etapa as células ainda estão se adaptando ao meio (fase lag).
Após a batelada simples existe a necessidade de uma alimentação com uma certa vazão a uma determinada concentração de substrato. A concentração de glicose no meio está muito baixa após 4,3 horas de fermentação.
Gráfico 2: Três primeiras vazões testadas na simulação
Verifica-se que para as três vazões iniciais ocorre o consumo muito rápido do substrato independente da concentração. ou seja, forma descartadas as três primeiras vazões.
Gráfico 3: Vazão de 1,2 mL/minuto vs várias concentrações de glicose
O gráfico mostra o comportamento das concentrações de glicose no meio. Podemos verificar que a concentração Cs3 tem um comportamento interessante do ponto de vista da disponibilidade de substrato para crescimento celular. Sugere-se a necessidade de se iniciar um fluxo maior e após 7 -8 horas diminuir para 1,2 ml/minuto para maximizar a produção de produto.
Gráfico 4 : Comportamento na geração de produto utilizando duas vazões diferentes
Nota-se, a partir da figura 2, que quando se tem um fluxo baixo é necessário o aumento da concentração do meio. E com o fluxo de 1,2 mL/minuto a produção de produto é ótima para maioria das concentrações. Com o fluxo de 2 mL/ minuto (dados não mostrados) a todas as concentrações de glicose decaíram a zero em pouco tempo, assim, não foi considerado um fluxo ótimo devido o tempo de trabalho.
Gráfico 5 : Concentração do substrato devido dois diferentes fluxos
É possível verificar que há a necessidade de aumentar o fluxo no início para que a concentração de substrato não fique muito baixo e como consequência ocorre morte celular. Porém, quando analisamos a produção de produto, verificamos que quando se tem uma vazão de 1,2 ml/minuto ocorre a melhor produção de etanol.
Em relação a concentração de glicose no meio, verificamos que 30 g/dm^3 é a mais indicada, uma vez que, com uma vazão de 1,2 mL/minuto, ocorre um declínio na concentração após, aproximadamente, 7 horas de fermentação. No entanto, há um aumento na concentração logo nas horas seguintes e com pico máximo quando se aproxima de 30 horas de fermentação. Isso é muito interessante, visto que, para encher o biorreator, que iniciou-se com 0,5 L, será necessário 36 - 40 horas de trabalho e está de acordo com o trabalho de SEO et al. (2009) que verificou um total de 36 horas de operação.
Recomenda-se dois fluxos de entrada se o início da batelada alimentada for de de 4,3 horas. Acredita-se que, se a escolha do tempo de início do fluxo fosse mais cedo, não haveria a necessidade de ter um fluxo maior no início (4,3 horas) e outro a partir de 7 - 8 horas, ou seja, mesmo a escolha do tempo de batelada simples sendo baseada na concentração de glicose (10 g/dm^3), verificamos que é um tempo muito longo.
REFERÊNCIAS
ARAUJO,T.G.Estudo fenomenológico do reator batelada alimentada utilizando dois processos fermentativos distintos.Dissertação de Mestre em Engenharia de Alimentos.2004
FOGLER, H. SCOTT, 1939. Fogler H.S. - Elementos de Engenharia das Reações Químicas - 4aEd.pdf, 1995.
GONZALES, T. A. Estudo fenomenológico do reator batelada alimentada utilizando dois processos fermentativos distintos. Universidade Estadual de Campinas, 2004.
SEO, H. B. et al. High-level production of ethanol during fed-batch ethanol fermentation with a controlled aeration rate and non-sterile glucose powder feeding of Saccharomyces cerevisiae. Biotechnology and Bioprocess Engineering, v. 14, n. 5, p. 591–598, 2009.
SILVA, M. B.; OLIVEIRA, D. S. DE. MODELAGEM E SIMULAÇÃO. p. 119–128, 2017.
VELOSO, I. I. K. Modelagem e otimização da fermentação alcoólica em batelada alimentada à baixa temperatura. 2019.
ZACHAROF, M. P.; LOVITT, R. W. Modelling and simulation of cell growth dynamics, substrate consumption, and lactic acid production kinetics of Lactococcus lactis. Biotechnology and Bioprocess Engineering, v. 18, n. 1, p. 52–64, 2013.
PETROBRAS. ETANOL. Disponível em: <http://www.br.com.br/wps/portal/portalconteudo/produtos/automotivos/etanol>. Acesso em 18/06/2019
SALGADO, A. M.; FOLLY, R. O. M.; VALDMAN, B. e VALERO, F. Desenvolvimento e aplicação de sensores “on-line” para monitoração de etanol e biomassa durante fermentação alcoólica. anais do XIV SINAFERM, 2003.