Detecção, diagnóstico e proposta de soluções baseadas em modelos matemáticos para falhas na etapa de propagação do inóculo do bioprocesso industrial de produção de farneseno

Abstract

O objetivo geral deste trabalho foi diagnosticar e analisar possíveis causas do crescimento microbiano insuficiente atualmente observado na etapa de propagação do inóculo do bioprocesso industrial de produção de farneseno da unidade da companhia holandesa DSM, localizada em Brotas-SP. As causas levantadas foram: (i) pressão aplicada ao fermentador; (ii) tamanho do inóculo; (iii) meio de cultivo nutricionalmente insuficiente; (iv) inibição pelo próprio substrato e/ou por inibidores presentes no meio inicial ou acumulados durante o crescimento microbiano; (v) modo de cultivo das células inadequado. Soluções para a resolução do problema, baseadas em modelos matemáticos, foram propostas visando avaliar a eficácia de tais soluções por meio de técnicas de modelagem e simulação de processos. Dentre as soluções apresentadas, aquela referente à pressão aplicada ao fermentador foi implementada na unidade industrial, obtendo-se resultados satisfatórios quanto à densidade ótica atingida nos cultivos, embora, com um tempo demasiadamente longo em relação ao especificado. Para as demais soluções propostas, foram delineadas as condições para a realização das simulações e em se concluindo que as soluções são viáveis tecnicamente e economicamente, todas elas são consideradas factíveis do ponto de vista prático-operacional.

The general objective of this study was to diagnose and analyze possible causes of the insufficient microbial growth currently observed in the inoculum propagation stage of the farnesene industrial production bioprocess in the DSM company unit, located in Brotas-SP. The causes raised were: (i) pressure applied to the fermenter; (ii) size of the inoculum; (iii) nutritionally insufficient culture medium; (iv) inhibition by the substrate itself and/or by inhibitors present in the initial medium or accumulated during microbial growth; (v) inadequate cell culture. Solutions for solving the problem, based on mathematical models, were proposed in order to evaluate the effectiveness of such solutions through modeling and process simulation techniques. Among the solutions presented, the one referring to the pressure applied to the fermenter was implemented in the industrial unit, obtaining satisfactory results in terms of the optical density reached in the cell cultivates, although with a time that is too long in relation to that specified. For the other proposed solutions, the conditions for conducting the simulations were outlined and in concluding that the solutions are technically and economically viable, all of them are considered feasible from a practical-operational viewpoint.