Modelagem matemática e desenvolvimento de estratégias de controle automático de biorreator de leito fixo para a produção de celulases fúngicas por cultivo em estado sólido

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Henrique, João Paulo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Estadual Paulista (Unesp)
• Palavras-chave em Português: Microbiologia industrial; Fermentação em estado sólido; Enzimas de fungos; Tecnologia de bioprocesso; Modelos matemáticos; Industrial microbiology; Solid-state fermentation; Fungal enzymes; Bioprocess technology; Mathematical models
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/11449/236567

Nos últimos anos o cultivo em estado sólido (CES) tem sido bastante aplicado para a produção de celulase fúngicas que viabilizam a produção do etanol de segunda geração. Dentre os biorreatores disponíveis para o CES, os biorreatores de coluna apresentam inúmeras vantagens, porém, algumas limitações como o monitoramento das concentrações dos gases impedem a determinação do crescimento microbiano durante a fermentação. Diante desta dificuldade, este trabalho tem como objetivo a modelagem matemática e o desenvolvimento de estratégias de controle automático de temperatura para ampliação de escala para a produção de celulases fúngicas por CES, sendo proposto inicialmente o desenvolvimento de um sistema automático para monitoramento de gases em diversas posições do biorreator de leito fixo empacotado. Foram avaliados em tempo real a taxa de comunicação do sistema, perfis de temperatura, concentrações de CO2 e O2, além dos perfis de umidade e atividade enzimática CMCase no final das fermentações. Para tanto foram realizadas diversas fermentações utilizando o fungo termofílico Myceliophthora thermophila I-1D3b cultivado em bagaço de cana e farelo de trigo (7:3 m/m), na umidade de 75% e temperatura de 45°C variando a taxa de aeração, tamanho do biorreator, e critérios de acionamento de válvulas de amostragem de gases (Casos I a IV). Em relação à taxa de comunicação, observou-se um atraso de 1,6 s/iteração na apresentação dos dados coletados em relação ao tempo de 1 s/iteração configurado, não interferindo nos resultados apresentados. Também foi possível avaliar o efeito da sequência de ativação da válvula na concentração de gases nos módulos fermentativos. No Caso I observou-se uma maior oscilação da temperatura e das concentrações de O2 e CO2, resultando num acúmulo da concentração de CO2 até valores próximos a 9% nos módulos fermentativos. Nos Casos II a IV as condições de temperatura e concentrações de gases se mantiveram mais estáveis, resultando, nestes três últimos casos, em uma concentração máxima de CO2 de 4%, de forma que a atmosfera do meio não fosse prejudicial ao processo. Utilizando como referência um modelo matemático para simulação de biorreatores de leito fixo empacotado a duas fases (balanços energia e água), foi avaliada a sensibilidade de algumas variáveis de processo em dois planejamentos experimentais utilizando Metodologia de Superfície de Resposta (MSR) e dentre os parâmetros avaliados, aeração, temperatura da parede e altura do biorreator apresentaram influência significativa sobre as temperaturas e teores de umidade das fases sólida e gasosa e concentrações de biomassa e substrato. Ao simular um biorreator de escala industrial de 50 m3, obteve-se perfis de temperatura máximas próximas a 53°C, semelhantes aos encontrados nos experimentos de diferentes vazões de aeração para o biorreator largo. Foram avaliadas ainda diferentes estratégias de controle do processo com a inversão do fluxo de ar e com a aeração auxiliar no centro do biorreator, demonstrando que para estes diferentes métodos de controle do processo, os perfis de temperatura e umidade podem ser controlados. Dessa forma, este sistema automatizado de acionamento de válvulas e coleta de dados em tempo real mostrou-se efetivo e permite sua aplicação em conjunto com técnicas de controle automático do processo fermentativo para otimizar as condições de produção enzimática em CES.