Cultivo em estado sólido : modelagem e quantificação de biomassa em biorreator cilíndrico horizontal agitado

Abstract

Em bioprocessos, cultivo em estado sólido (CES) pode ser definido como o cultivo envolvendo sólidos insolúveis na ausência, ou quase, de água livre. Desta forma, o CES se distingue dos cultivos submersos (CSm), nos quais os substratos e microrganismos encontram-se dissolvidos ou suspensos em grande quantidade de água. Muitos aspectos importantes de engenharia de processo ainda precisam ser desenvolvidos em CES, como a quantificação de biomassa, a cinética de reações e as transferências de massa e energia. Neste trabalho, estudou-se um processo de cultivo em estado sólido em biorreator de tambor agitado utilizando um resíduo industrial fibroso de soja (RIFS) como substrato para o crescimento da bactéria Bacillus circulans BL53. Inicialmente, foram realizados testes de mistura utilizando corantes alimentícios para avaliar a eficiência da homogeneização promovida pelas pás agitadoras. O teste utilizando corantes espelha-se em outros encontrados na literatura, porém o substrato aqui utilizado tem natureza pastosa, contra os de natureza particulada de outros trabalhos. Concluiu-se que a homogeneização é satisfatória. Foi realizada a estimação da biomassa no cultivo através da taxa de produção de CO2, analisado por cromatografia gasosa. Com o uso de um modelo de correlação, obteve-se bons resultados para as primeiras horas de cultivo, porém os erros de estimação tornaram-se muito grandes após 20 horas de cultivo. Este é um resultado comum também em outros trabalhos semelhantes encontrados, já que o erro da estimação é cumulativo, e o único parâmetro monitorado (produção de CO2) pode falhar na detecção de mudanças do metabolismo microbiano. Além disso, foi desenvolvido um modelo cinético, que relaciona as concentrações de biomassa, açúcares redutores totais e acetato, além da produção de CO2, no cultivo. O acetato é um produto metabólico com efeito bactericida. Por conseqüência deste efeito, houve queda na contagem de células viáveis após aproximadamente 15 horas de cultivo. No geral, houve boa correlação com dados experimentais, porém outros desenvolvimentos são necessários para aprimorar o modelo. A produção de CO2, por exemplo, não foi bem descrita pelo modelo. A inclusão de medições de consumo de oxigênio, uma estequiometria de reação definida e balanços de massa e energia podem trazer melhorias significativas às predições e à aplicabilidade do modelo.

Solid state cultivations (SSC) may be defined as the cultivation involving insoluble solids in the absence, or near absence, of free water. Therefore, SSC is distinguished from submerged cultivations (SmC), where substrates and microrganisms are dissolved or suspended in large quantities of water. Many important engineering aspects of SSC are still to be developed, like biomass quantification, reaction kinetics, mass and energy transfers. This work dealt with a solid state cultivation process carried out in an agitated drum bioreactor, using an industrial fibre soybean residue (IFSR) as substrate for the growth of the bacterium Bacillus circulans BL53. Mixing tests were carried out in order to evaluate the efficiency of the homogeneization promoted by the mixing paddles. Common food grade dyes were used in these experiments, similary to other works in the literature. However, the viscous nature of ISFR greatly differs from the particulates used in other works. Homogeneization was concluded to be satisfactory. Biomass was estimated through the CO2 production rate, which was determined by gas chromatography. Using a correlation model, good results were obtained for the first hours of the cultivation, but the estimation errors became too large after 20 hours. This is a common result also in other works, since the estimation error is cumulative, and the only monitored parameter (CO2 production) may fail the detection of metabolic changes of the microrga nism. A kinetic model of the process was also developed, relating biomass, total reducing sugars and acetate concentrations, in addition to CO2 production. Acetate is a metabolic product which has bactericidal effect. As a consequence, viable cell count dropped after approximately 15 hours cultivation. A general good correlation with experimental data was obtained, but the model may be further improved. For example, the model was unable to describe the CO2 production satisfactory. The inclusion of oxygen up take measurements, a defined reaction stoichiometry, together with mass and energy balances may significantly improve model predictions and applicability.