BERTUCCI NETO, V.

FARINAS, C. S.

FONSECA, R. F.

KWONG, W. H.

Repository Open Access to Scientific Information from Embrapa

AVANÇOS NO DESENVOLVIMENTO DA INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DA FERMENTAÇÃO EM ESTADO SÓLIDOR. F. Fonseca1,2, C. B. Melo2, C. S. Farinas1,2, W. H. Kwong2, V. Bertucci-Neto1(1) Embrapa Instrumentação, Rua XV de Novembro, 1452, 13560-970, São Carlos, SP, rfrederico@gmail.com(2) Departamento de Engenharia Química, UFSCar, Rodovia Washington Luiz, km 235, 13565-905, São Carlos, SPResumo: A fermentação em estado sólido (FES) é uma técnica importante para a produção de enzimas para KLGUyOLVHGHELRPDVVDYHJHWDO1RHQWDQWRD)(6DSUHVHQWDXPDVpULHGHGL¿FXOGDGHVWpFQLFDVSDUDVHWRUQDUYLiYHOem escala industrial. Nesse trabalho são apresentados alguns dos avanços na automação de biorreatores e um estudo da cinética de produção enzimática realizados no Laboratório de Agroenergia da Embrapa Instrumentação TXHYLVDPVXSHUDUHVVDVGL¿FXOGDGHV'HPRQVWUDVHDTXLDSRVVLELOLGDGHGRDXPHQWRGDTXDQWLGDGHGHHQ]LPDVproduzidas através da otimização da dinâmica do processo.Palavras-chave: fermentação em estado sólido, desenvolvimento de processo, hidrolise enzimática, controle robusto.ADVANCES IN SOLID STATE FERMENTATION DEVELOPMENTAbstract: Solid state fermentation (SSF) is an important technique for the production of enzymes to hydrolyze vegetable biomass. However, SSF presents a number of technical issues to become feasible on an industrial scale. In this paper it is presented some of the advances achieved in bioreactors automation and a study in the enzymatic production kinetic made in the Laboratório de Agroenergia of Embrapa Instrumentação in order to overcome these issues. Here it is demonstrated the possibility of increasing the amount of enzymes produced by the process dynamics optimization.Keywords: solid state fermentation, process development, enzymatic hydrolysis, robust control.1. IntroduçãoOs primeiros registros dos processos fermentativos estão datados por volta de 6000 a.C. e descrevem a produção de cerveja, vinhos e pães na Babilônia e no Egito. A cerca de 3000 a.C. iniciou-se a fabricação de shoyu na China e no Japão, de queijos e iogurtes nos Balcãs e na Ásia Central. Hoje em dia, esses processos fermentativos são utilizados para a obtenção de produtos de interesse comercial em diversos ramos industriais, como o setor far-macêutico, de alimentos e bebidas, têxtil, na agricultura, dentre outros(Shaechter, 2004). Dentre esses bioprodutos se destaca a produção microbiana de enzimas, por possuirem diversas aplicações e cujo mercado está em crescente evolução, sendo uma alternativa importante aos processos químicos convencionais.O crescimento microbiano para a produção de enzimas pode ser conduzido através da fermentação sub-mersa (FSm), na qual o meio é constituído basicamente por água e nutrientes nela dissolvidos, ou da fermentação HPHVWDGRVyOLGR)(6TXHpGH¿QLGDFRPRXPSURFHVVRGHFXOWLYRGHPLFURUJDQLVPRVHPVXEVWUDWRVyOLGRFRQ-WHQGRXPDTXDQWLGDGHGHiJXDVX¿FLHQWHDSHQDVSDUDPDQWHURFUHVFLPHQWRHRPHWDEROLVPRGRPLFURUJDQLVPRcaracterizado pela ausência de água livre (Raghavarao, Ranganathan e Karanth, 2003; Holker, Hofer e Lenz, 2004; Singhania et al., 2009). Atualmente, cerca de 90% de todas as enzimas industriais são produzidas por FSm. Por outro lado, os processos de FES apresentam vantagens quando comparados aos de FSm, pois são capazes de utilizar resíduos agroindustriais sólidos e em alguns casos dispensam esterilização por causa da baixa quantidade de água neces-sária no processo. Constata-se também uma maior produtividade enzimática quando comparada aos processos de FSm, e, além disso, as enzimas produzidas pela FES são menos susceptíveis a problemas de inibição por substrato e possuem uma maior estabilidade térmica e a variações do pH do meio (Holker, Hofer e Lenz, 2004). $SHVDUGHDSUHVHQWDUYDQWDJHQVD)(6DLQGDQmRpDSOLFDGDHPHVFDODLQGXVWULDOGHYLGRjVGL¿FXOGDGHVde controle e monitoração das variáveis durante o processo, sendo algumas das principais: a temperatura, o pH do PHLRHDTXDQWLGDGHGHiJXDGLVSRQtYHOSDUDRVPLFURUJDQLVPRV(VVDVGL¿FXOGDGHVRFRUUHPGHYLGRjDXVrQFLDde água livre, a baixa condutividade térmica e heterogeneidade dos substratos sólidos (Sargantanis et al., 1993; Holker e Lenz, 2005).R. F. Fonseca, C. B. Melo, C. S. Farinas, W. H. Kwong, V. Bertucci-Neto570O objetivo deste trabalho é apresentar como alguns dos avanços realizados pelos colaboradores do Labo-ratório de Agroenergia da Embrapa Instrumentação contribuem para o desenvolvimento da fermentação em estado sólido - FES. Nesse trabalho será abordada a importância do desenvolvimento da instrumentação, da automação e do controle dos biorreatores de coluna e tambor rotativo. 2. Materiais e Métodos O desenvolvimento de um sistema de controle preciso para o biorreator de colunas adaptado de (Raim-bault e Alazard, 1980) tem sido peça chave no desenvolvimento dos processos de FES. O uso desse tipo de bior-reator é particularmente útil, pois é possível realizar estudos com diferentes condições de processo. Com isso, através de planejamentos experimentais criteriosamente realizados, muitas informações a respeito de quais são as melhores condições para a realização do processo são obtidas (Farinas et al., 2011; Vitcosque et al., 2012; Pirota et al., 2013). (VVHELRUUHDWRUFRQWDDWXDOPHQWHFRPXPVLVWHPDGHGLVWULEXLomRGHÀX[RSDUDFDGDXPDGDVFROXQDVadmitidas por vez. Essas colunas apresentam volume máximo de 20mL e têm sido utilizadas para fermentação de cerca de 5 gramas de biomassa. Também conta com um sistema de controle robusto da umidade relativa do ar, do ÀX[RGHDUHGDWHPSHUDWXUDGRSURFHVVR$)LJXUDPRVWUDRHVTXHPDGHFRQWUROHGDXPLGDGHUHODWLYDGRDUAtualmente está sendo desenvolvido um biorreator de tambor rotativo (BTR), com capacidade útil apro-ximadamente 50 vezes maior do que as colunas de fermentação. As soluções técnicas utilizadas no biorreator de FROXQDVFRQIRUPHDSUHVHQWDGDVQD)LJXUDWLYHUDPGHVHUUHHODERUDGDVSDUDTXHIRVVHPH¿FLHQWHVQHVVHELRUUHD-tor. Os principais fatores de mudanças foram o fato das colunas estarem imersas em um banho térmico controlado, HQTXDQWRR%75HQFRQWUDVHXPXPDFXEDFRPDUDTXHFLGRDOpPGLVVRD WD[DGHÀX[RGHDUQHFHVViULDSDUDDOLPHQWDomRGHVVHpSURSRUFLRQDODRDXPHQWRGDHVFDODRTXHJHURXGL¿FXOGDGHVQDVVROXo}HVGRVSUREOHPDVGHtransferências da água para o ar. 'HQWUHRVGHVD¿RVSUHYLVWRVSDUDRGHVHQYROYLPHQWRGR%75HQFRQWUDPVHDHODERUDomRGHSiVH¿FLHQWHVSDUDDJLWDomRHPHWRGRORJLDVGHDHUDomRTXHPHOKRUHPDH¿FLrQFLDGDWURFDGHFDORUGRPHLRIHUPHQWDWLYR7DP-bém será necessário o desenvolvimento de um sistema de otimização e controle do processo em tempo real que considere a as variações de temperatura e umidade do meio fermentativo.Figura 1: Diagrama de blocos do sistema de aeração do biorreator de FES em malha aberta. 1- Proporção GH)OX[R6HFRVXEWUDLGRÀX[RWRWDODTXDQWLGDGHGHÀX[RGHDU~PLGR0XOWLSOLFDGRUHVGH)OX[RSRU5D]mRGH)OX[RVHFRRX~PLGR&RQWURODGRUHVGH)OX[RGH0DVVD8PLGL¿FDGRUGH$U6HFDGRUGHDU6RPDGRUde Fluxos, 7- Distribuidor de Fluxo, 8- Sensor de Umidade Relativa e Temperatura do Ar. Ainda se têm a referência GHÀX[R)OX[RGH$UDUHIHUrQFLDGHXPLGDGHUHODWLYDHDWHPSHUDWXUDGRVLVWHPDXHXWHQVmRGHFRQWUROHGRFRQWURODGRUGHÀX[RGHPDVVD)H)ÀX[RGHDUQDVOLQKDV~PLGDHVHFDUHVSHFWLYDPHQWH)ÀX[RGHDUmisturado, %RH- umidade relativa do ar na saída do distribuidor.Outro fator importante para a viabilização da produção in situ é o aumento da produção das enzimas uti-lizando técnicas de otimização de processo. Para tal, foram estudadas e modeladas as cinéticas do crescimento mi-crobiano e da produção dos metabólitos. O uso de tal modelo para otimização das condições do processo ao longo do tempo mostra a possibilidade de um aumento expressivo na produção das enzimas por quantidade de substrato utilizado. Nesse trabalho foi desenvolvido um algoritmo de busca simples para avaliar qual seria o melhor caminho de ambas as condições ambientais e qual seria a melhor condição inicial para prover a máxima produção possível para o modelo assumido. As Equações de (1) a (7) mostram o modelo utilizado, sendo que a Equação (6) descreve a produção da enzima CMCase enquanto a Equação 7 descreve a produção da enzima Xilanase.  (1)  (2)  (3)AVANÇOS NO DESENVOLVIMENTO DA INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DA… 571  (4)  (5)  (6) (7)4. ResultadosA Figura 2 mostra, como aplicação do biorreator de colunas desenvolvido, o estudo da cinética da produ-ção enzimática em diversas condições ambientais. O estudo revela que existe uma região de condições ambientais PDLVDSURSULDGDVSDUD IHUPHQWDomRHPDPELHQWHVKHWHURJrQHRVPRVWUDGDHPYHUPHOKRHVFXUR1HVVD¿JXUDpmostrada a cinética do produto entre as enzimas Xilanase e CMCase respectivamente amostradas em 24, 48 e 72 horas de fermentação, respectivamente (a), (b) e (c), pelo microrganismo Aspergilus niger 3T5B8. )LJXUD*Ui¿FRGRSURGXWRGDVDWLYLGDGHVHQ]LPiWLFDV  x Temperatura (°C) x Umidade inicial do VXEVWUDWRHPKDKEHKFREWLGRVSRU)(6HPELRUUHDWRUGHFROXQDV$EDUUDODWHUDOGDV¿JXUDVLQGLFDa cor referente ao produto das atividades enzimáticas de cada nível da superfície de resposta.A Figura 3 (a) e (b) mostram respectivamente o resultado da simulação das condições ótimas para o pro-cesso ao longo do tempo e a simulação da produção das enzimas.Figura 3. Resultado da otimização das condições ambientais do processo (a) e comparação entre a simulação do modelo nas condições experimentais de maior produção e produção enzimática nas condições otimizadas do processo (b).R. F. Fonseca, C. B. Melo, C. S. Farinas, W. H. Kwong, V. Bertucci-Neto5725. ConclusõesTanto o modelo ajustado, quanto a otimização da dinâmica das condições ambientais do processo ainda não foram validados, todavia, essas hipóteses mostram-se promissoras para o desenvolvimento da fermentação em estado sólido. Consequentemente, os avanços no conhecimento do processo são um passo a mais na direção de se tornar viável o uso da FES na produção em escalas maiores. AgradecimentosÀ CAPES e ao CNPq pelas bolsas e suporte à pesquisa. Ao ex-estagiário Flávio César Freire Baleeiro e aos técnicos Luís Aparecido de Godoy e Jorge Luiz Novi da Embrapa Instrumentação que deram o suporte da pesquisa.ReferênciasFARINAS, C. et al. Modeling the effects of solid state fermentation operating conditions on endoglucanase pro-duction using an instrumented bioreactor. Industrial Crops and Products, v. 34, n. 1, p. 1186-1192, JUL 2011 2011. ISSN 0926-6690. HOLKER, U.; HOFER, M.; LENZ, J. Biotechnological advantages of laboratory-scale solid-state fermentation with fungi. Applied Microbiology and Biotechnology, v. 64, n. 2, p. 175-186, APR 2004 2004. ISSN 0175-7598. HOLKER, U.; LENZ, J. Solid-state fermentation - are there any biotechnological advantages? Current Opinion in Microbiology, v. 8, n. 3, p. 301-306, Jun 2005. ISSN 1369-5274. PIROTA, R. D. P. B. et al. Enhancing xyla-nases production by a new Amazon Forest strain of Aspergillus oryzae using solid-state fermentation under controlled operation conditions. Industrial Crops and Products, v. 45, p. 6, 2013. RAGHAVARAO, K.; RANGANATHAN, T.; KARANTH, N. Some engineering aspects of solid-state fermenta-tion. Biochemical Engineering Journal, v. 13, n. 2-3, p. 127-135, MAR 2003 2003. ISSN 1369-703X. RAIMBAULT, M.; ALAZARD, D. CULTURE METHOD TO STUDY FUNGAL GROWTH IN SOLID FER-MENTATION. European Journal of Applied Microbiology and Biotechnology, v. 9, n. 3, p. 199-209, 1980 1980. ISSN 0340-2118. SARGANTANIS, J. et al. EFFECT OF OPERATING-CONDITIONS ON SOLID SUBSTRATE FERMENTA-TION. Biotechnology and Bioengineering, v. 42, n. 2, p. 149-158, Jun 1993. ISSN 0006-3592. SHAECHTER, M. The Desk Encyclopedia of Microbiology. Elsevier Academic Press, 2004. 1169.SINGHANIA, R. R. et al. Recent advances in solid-state fermentation. Biochemical Engineering Journal, v. 44, n. 1, p. 13-18, Apr 2009. ISSN 1369-703X. VITCOSQUE, G. L. et al. Production of Biomass-Degrading Multienzyme Complexes under Solid-State Fermen-tation of Soybean Meal Using a Bioreactor. Enzyme Research, v. 2012, p. 9 p, 2012.

Avanços no desenvolvimento da instrumentação e controle da fermentação em estado sólido.

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository Open Access to Scientific Information from Embrapa