Engenharia de biorreatores contínuos com células imobilizadas para a bioconversão de soro e permeado de soro de queijo à bioetanol

Abstract

O soro e o permeado de soro de queijo, subprodutos da indústria de laticínios, constituem-se substratos alternativos, ricos em nutrientes e de grande potencial para a produção de etanol. Diante da necessidade de melhorias em processos fermentativos, a tecnologia de imobilização celular pode contribuir positivamente para processos mais eficazes e vantajosos. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo aperfeiçoar a produção de etanol a partir de soro e permeado de soro de queijo por diferentes leveduras em biorreatores de células imobilizadas operados em regime batelada e em sistema contínuo, bem como representar matematicamente o bioprocesso. Na primeira etapa deste trabalho, diferentes linhagens de Kluyveromyces marxianus e diferentes meios de cultivo foram testados em agitador rotacional e em biorreator de células imobilizadas, e os efeitos da taxa de diluição (D) e da concentração de substrato (C WP ) foram investigadas em biorreatores contínuos. Altos fatores de conversão (YEtOH/S) e de produtividade volumétrica (QP) foram obtidos pela linhagens K. marxianus CCT 4086 tanto em agitador rotacional quanto em biorreator com células imobilizadas em alginato de cálcio operado em regime batelada (0,47 g L-1 e 2,53 g L-1 h-1). Diante disso, esta linhagem foi escolhida para os testes posteriores. Aumentos consideráveis nos parâmetros de fermentação (YEtOH/S e QP) foram obtidos a partir do planejamento experimental hexagonal em biorreatores operados continuamente (0,51 g g-1 e 6,01 g L-1 h-1). Melhorias no processo ainda foram alcançadas em biorreatores contínuos de dois estágios operados em sequência, em que alta produtividade volumétrica (6,97 g L-1 h-1) e concentração de etanol (70,4 g L-1) foram observadas. Em uma segunda etapa deste trabalho, linhagens de Saccharomyces cerevisiae foram testadas para a bioconversão de soro e permeado de soro de queijo a etanol. Diferentes leveduras imobilizadas e estratégias de cultivo foram utilizadas para bioconverter meios não concentrados e concentrados, em biorreatores de leito fluidizado. Valores similares dos parâmetros fermentativos (YEtOH/S e QP) foram obtidos para o monocultivo das linhagens de S. cerevisiae (CAT-1 e PE-2). O co-cultivo de S. cerevisiae CAT-1 e K. marxianus CCT 4086 aumentou em quatro vezes a produtividade volumétrica em permeado de soro de queijo e em 69 % em soro de queijo, mas não superou os altos valores obtidos pela monocultura de K. marxianus CCT 4086 (0,49 g g-1 e 1, 68 g L-1 h-1). Aumentos na concentração de etanol foram alcançados a partir de meio concentrado (79,1 g L-1), e melhorias na produtividade volumétrica foram obtidas a partir de batelada repetida (2,8 g L-1 h-1). Em uma terceira etapa, foi realizada a modelagem matemática do bioprocesso da produção de etanol por soro de queijo a partir de K. marxianus CCT 4086, linhagem esta que conferiu os melhores resultados ao longo deste trabalho. O sistema contínuo A-stat (accelerostat technique) foi utilizado, tanto para cultivos de células livres quanto imobilizadas, onde duas taxas de aceleração foram testadas. Quatro modelos matemáticos não estruturados foram analisados, levando em consideração a limitação pelo substrato e a inibição pelo produto. Os resultados mostraram que as taxas de diluição (D) e de aceleração (a) afetam a fisiologia e o metabolismo celular. O estado estacionário foi alcançado para a menor taxa de aceleração (a = 0,0015 h-2), e um alto fator de conversão foi obtido (0,52 g g-1) nesta condição. A imobilização celular contribuiu para o aumento do fator de conversão em 23 % na condição de maior taxa de aceleração testada (a = 0,00667 h-2). Alto ajuste dos modelos preditivos para biomassa, substrato e produto foi obtido a partir da maior taxa de aceleração, contudo o fenômeno biológico foi melhor representado para a menor taxa de aceleração. Os modelos de Monod e de Levenspiel combinado com Ghose e Tyagi foram os mais apropriados para descrever o bioprocesso.

Whey and whey permeate, by-products of the dairy industry, are alternative substrates, rich in nutrients and with great potential for use in the ethanol production. Considering the need for improvements in fermentation processes, cell immobilization technology can positively contribute to more effective and advantageous bioprocesses. In this context, the aim of this work was to optimize the ethanol production from whey and whey permeate by different yeasts on immobilized batch fluidized bed bioreactors and in continuous systems, and also describe mathematically the bioprocess. In the first step, different strains of K. marxianus and cultivation media were tested in batch mode and the effects of dilution rate (D) and substrate concentration (C WP ) were investigated in continuous bioreactors. High ethanol yield (YEtOH/S) and ethanol productivities (QP) were obtained by K. marxianus CCT 4086, for both in shaker cultivation and in batch fluidized-bed bioreactors with immobilized cells in Ca-alginate (0.47 g L-1 e 2.53 g L-1 h-1). This strain was chosen for subsequent tests. Substantial increases in the fermentation parameters (YEtOH/S e QP) were obtained from the hexagonal experimental design in continuous bioreactors (0.51 g g-1 e 6.01 g L-1 h-1). Process improvements were achieved in two continuous fluidized-bed bioreactors operated in sequence, wherein high ethanol productivities (6.97 g L-1 h-1) and concentrations (70.4 g L-1) were obtained. Then, in a second step of this study, strains of S. cerevisiae were tested to bioconversion of lactose-hydrolysed whey and whey permeate into ethanol. Different immobilized strains in monoculture and coculture were used to the bioconversion of not concentrated or concentrated mediums in batch fluidized bed bioreactors. Similar values of the fermentation parameters (YEtOH/S e QP) were obtained for the strains S. cerevisiae (CAT-1 and PE-2). The co-culture of S. cerevisiae CAT- 1 and K. marxianus CCT 4086 increased four times the ethanol productivity in lactosehydrolyzed whey permeate and 69 % in lactose-hydrolyzed whey, but not attained the high values of K. marxianus CCT 4086 monoculture (0.49 g g-1 e 1.68 g L-1 h-1). Increases in the ethanol concentrations (79.1 g L-1) were obtained from concentrated media, and improvement in ethanol productivities was obtained by repeated batch (2.8 g L-1 h-1). In a third step, the mathematical modeling of the ethanol production from whey was performed, using K. marxianus CCT 4086 as biocatalyst due to the better results attained throughout of this work. The continuous A-stat system (accelerostat technique) was used for both free cell cultures and immobilized, and two acceleration rates were tested. Four unstructured mathematical models were analyzed, taking into account the limiting substrate and product inhibition. The results showed that the dilution rate (D) and the acceleration rate (a) affected cell physiology and metabolism. The steady state was attained for the lower acceleration rate (a = 0.0015 h-2), and in this condition a high ethanol yield was verified (0.52 g g-1). Cell immobilization increased 23 % of the ethanol yield for the highest acceleration rate (a = 0.00667 h-2) tested. High fit of the predictive models of biomass, lactose and ethanol concentrations were obtained from the high acceleration rate, however the biological phenomenon was better described for the lower acceleration rate. Among the set of models evaluated, Monod and Levenspiel combined with Ghose and Tyagi models were found to be more appropriate for describing the bioprocess.