Avaliação da viabilidade técnica da ampliação de escala da produção de enzimas celulolíticas e hemicelulolíticas por FES em biorreatores de leito empacotado
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Data
2017-03-03
Autores
Perez, Caroline Lopes [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Esta dissertação apresenta um estudo sobre a ampliação de escala de biorreatores de leito empacotado para produção de celulases e hemicelulases por fermentação em estado sólido (FES) empregando o fungo termofílico Myceliophthora thermophila I-1D3b e substrato composto por bagaço de cana de açúcar e farelo de trigo. As etapas de desenvolvimento do projeto consistiram em ensaios em biorreator de diâmetro interno e altura iguais a 7,62 e 10 centímetros, de modo que foram realizados ensaios variando tamanho das partículas de bagaço de cana, densidade bulk do leito, taxas de aeração e modo de distribuição da vazão de ar. Com base nos resultados obtidos, observou-se que partículas de bagaço de tamanho reduzido fornecem bons rendimentos de atividades enzimáticas quando submetidas a altas taxas de aeração em leitos de elevada densidade. Partículas maiores forneceram melhores resultados para leitos de �bulk= 0,395 g/cm3 , bem como a utilização de vazão de ar determinada com base no número de Damköhler modificado igual a 1. Resultados obtidos em ensaios em biorreatores de 0,8 metros, com e sem distribuição de ar, mostraram que inserir ar ao longo do leito é uma estratégia que permite aeração eficiente ao longo do sistema fermentativo, sem que ocorra secagem excessiva do substrato. Atividades relativas de CMCase e xilanase atingiram cerca de 1,2 e 0,7, respectivamente. As etapas finais consistiram em fermentações realizadas em biorreator de diâmetro interno e altura iguais a 20 centímetros. Nessas condições, foram testadas duas formas de distribuição de ar ao longo do leito de quatro módulos fermentativos: utilizando um tubo interno perfurado no módulo central inserindo metade da vazão total, e a outra metade inserida pelo inferior do leito e utilizando um tubo interno central, com quatro orifícios por módulo para espalhamento da vazão. Em termos de produção de celulase, o tubo no módulo central se mostrou a melhor alternativa para o aumento de escala, chegando a apresentar 0,8 de atividades enzimáticas relativas de CMCase, e em termos de atividades relativas de xilanase, a melhor opção foi o tubo interno longitudinal, apresentando valores de 0,55. Diante do exposto, o número de Damköhler modificado é interessante do ponto de vista de aumento de escala, no entanto é preciso ainda entender o mecanismo de atividade respiratória dos microrganismos para que os conceitos possam ser aplicados em sinergia, podendo-se assim esperar bom desempenho do processo em escala industrial.
This work presents a study of scale–up packed bed bioreactors for the production of cellulases and hemicellulases by solid-state fermentation (SSF) using the thermophilic fungus Myceliophthora thermophila I-1D3b and substrate composed by sugar cane bagasse and wheat bran. The development phases of the project consist in tests using bioreactors composed by internal diameter and height equal to 7.62 and 10 centimeters, respectively, so that the assays vary the size of the sugar cane bagasse particles, the bulk density, the airflow rate and how’s distributed along the bed. Based on the results obtained, it was defined that the particles of small size provide good results of enzymatic activity yields when submitted to high aeration rates in high bulk density beds. When testing normal size sugarcane bagasse particles, the best results were obtained for the beds with �bulk= 0,395 g/cm3 as well as airflow rate based on the modified Damköhler number equal to 1. Results obtained in tests in 0,8 meter height bioreactors, with and without airflow distribution, show that inserting air in different bed heights is a strategy to ensure efficient aeration throughout the fermentation system without excessive drying of the substrate. Activities related to CMCase and xylanase reached about 1.2 and 0.7, respectively. The final stages consisted in perform fermentation assays in a bioreactor of internal diameter and height equal to 20 centimeters. Under these conditions, two forms of long-term distribution were tested: using an internal ring to insert half of the total flow, together with the other half inserted in the lower part of the bed and using a central internal pipe with 4 holes per module for airflow distribution. In terms of cellulase production, the internal ring showed a better alternative for scaling-up, reaching a valeu of 0.8 CMCase relative enzymatic activities, and with respect to xylanase relative enzymatic activities, the best option was the central pipe, presenting values of 0,55. On the above, the modified Damköhler number is interesting when it refers to scale-up, although it’s necessary to understand the mechanism of respiratory activity of the microorganisms so that the concepts can be applied in synergy, and it can be expected good process performance in industrial scale.
This work presents a study of scale–up packed bed bioreactors for the production of cellulases and hemicellulases by solid-state fermentation (SSF) using the thermophilic fungus Myceliophthora thermophila I-1D3b and substrate composed by sugar cane bagasse and wheat bran. The development phases of the project consist in tests using bioreactors composed by internal diameter and height equal to 7.62 and 10 centimeters, respectively, so that the assays vary the size of the sugar cane bagasse particles, the bulk density, the airflow rate and how’s distributed along the bed. Based on the results obtained, it was defined that the particles of small size provide good results of enzymatic activity yields when submitted to high aeration rates in high bulk density beds. When testing normal size sugarcane bagasse particles, the best results were obtained for the beds with �bulk= 0,395 g/cm3 as well as airflow rate based on the modified Damköhler number equal to 1. Results obtained in tests in 0,8 meter height bioreactors, with and without airflow distribution, show that inserting air in different bed heights is a strategy to ensure efficient aeration throughout the fermentation system without excessive drying of the substrate. Activities related to CMCase and xylanase reached about 1.2 and 0.7, respectively. The final stages consisted in perform fermentation assays in a bioreactor of internal diameter and height equal to 20 centimeters. Under these conditions, two forms of long-term distribution were tested: using an internal ring to insert half of the total flow, together with the other half inserted in the lower part of the bed and using a central internal pipe with 4 holes per module for airflow distribution. In terms of cellulase production, the internal ring showed a better alternative for scaling-up, reaching a valeu of 0.8 CMCase relative enzymatic activities, and with respect to xylanase relative enzymatic activities, the best option was the central pipe, presenting values of 0,55. On the above, the modified Damköhler number is interesting when it refers to scale-up, although it’s necessary to understand the mechanism of respiratory activity of the microorganisms so that the concepts can be applied in synergy, and it can be expected good process performance in industrial scale.
Descrição
Palavras-chave
Fermentação em estado sólido, Biorreatores, Enzimas, Ampliação de escala, Solid-state fermentation, Bioreactors, Enzyme, Scale-up