Integração de modificações geométricas em biorreator Airlift e estratégias de alimentação em reatores convencionais na produção de riboflavina por Bacillus subtilis

Abstract

Este estudo realizou o desenvolvimento e integração de promotores helicoidais em biorreatores do tipo Airlift, bem como a aplicação de estratégias de alimentação exponencial em biorreatores convencionais de tanque agitado (STR) para a produção de riboflavina (RF) por Bacillus subtilis. Na primeira etapa do estudo, a inclusão dos promotores helicoidais resultou na otimização da transferência de oxigênio, evidenciada pelo aumento do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa). Foram construídos e avaliados diferentes modelos de helicoides acoplados às regiões de riser e downcomer de um biorreator Airlift de tubos concêntricos, operando sob diversas taxas de aeração. Entre os modelos testados, o helicoide do tipo Onda com uma volta e posicionamento externo (OE1) apresentou o melhor desempenho global, alcançando um aumento de aproximadamente 23% no valor de kLa. Sua aplicação em cultivos com B. subtilis confirmou a eficácia do modelo em escala laboratorial, com destaque para a condição de 2 vvm, na qual foi obtida uma produção de 2,49 g/L de RF, um incremento de 43,9% em comparação ao tubo padrão na mesma taxa de aeração. Paralelamente, foi investigada a produção de RF em biorreatores STR operando em modo Fed-batch com alimentação exponencial. Os resultados demonstraram que o crescimento celular e a síntese de riboflavina foram significativamente influenciados pela concentração de açúcar no meio de cultivo e pelo setpoint de oxigênio dissolvido. A melhor condição resultou em uma produção de 2,29 g/L de RF. De forma integrada, este estudo oferece uma visão abrangente sobre os principais fatores que afetam a produção de riboflavina por B. subtilis, propondo soluções inovadoras para a intensificação do processo, tanto em reatores Airlift modificados quanto em reatores STR operando sob estratégias otimizadas de alimentação.

This study focused on the development and integration of helical flow promoters in Airlift bioreactors, as well as the application of exponential feeding strategies in conventional stirred-tank bioreactors (STR) for the production of riboflavin (RF) by Bacillus subtilis. In the first phase of the research, the inclusion of helical promoters led to the optimization of oxygen transfer, as evidenced by an increase in the volumetric oxygen transfer coefficient (kLa). Various helical designs were constructed and evaluated when coupled to the riser and downcomer regions of a concentric-tube Airlift bioreactor, operated under different aeration rates. Among the tested configurations, the external Wave-type helical promoter with one turn (OE1) exhibited the best overall performance, achieving an approximately 23% increase in kLa. Its application in B. subtilis cultures confirmed the model’s effectiveness at laboratory scale, with notable results under the 2 vvm condition, where an RF production of 2.49 g/L was obtained—representing a 43.9% increase compared to the standard tube at the same aeration rate. In parallel, RF production in STR bioreactors operating in Fedbatch mode with exponential feeding was investigated. The results showed that both biomass growth and riboflavin synthesis were significantly influenced by the sugar concentration in the culture medium and the dissolved oxygen setpoint. The best condition yielded an RF production of 2.29 g/L. Taken together, this study provides a comprehensive understanding of the key factors affecting riboflavin production by B. subtilis, presenting innovative solutions for process intensification in both modified Airlift reactors and STR systems operating under optimized feeding strategies.