Modelagem e simulação da produção de biossurfactante e lipase por fermentação em estado sólido
Autor: Gabriel Luis Castiglioni (Currículo Lattes)
Resumo
Estudos relacionados com a produção de biossurfactantes vêm ganhando interesse pela sua vasta aplicação no setor industrial. Sua obtenção a partir de substratos renováveis e de baixo custo, bem como sua alta biodegradabilidade e baixa toxicidade ao meio ambiente é o grande potencial para futura substituição dos surfactantes químicos. Além dos biossurfactantes a aplicação das lipases vem aumentando nos últimos anos devido a recentes avanços biotecnológicos, apresentando grande importância industrial em relação às demais enzimas. Obtenção de dados referentes à produção de biossurfactantes e lipases é uma etapa determinante, não só para coleta de informações para estudos futuros, mas também na implantação e otimização de processos. A utilização de modelos matemáticos que expressem estes resultados pode reduzir consideravelmente tais esforços. Com isso, o presente trabalho foi dividido em quatro etapas: a primeira tendo como objetivo desenvolver, otimizar e validar modelos matemáticos de descrição do processo de produção de biossurfactante; segunda, otimizar experimentalmente a produção de biossurfactante; a terceira, desenvolver modelos de otimização da produção de lipase; e a quarta avaliar a produção de lipase durante o processo de fermentação. Todas as etapas tiveram por estudo a fermentação em estado sólido utilizando Aspergillus fumigatus em diferentes condições nutricionais e de fornecimento de ar. Foram realizados experimentos utilizando óleo de soja e óleo diesel como fontes adicionais de carbono, para posterior comparação com experimentos na sua ausência. As aerações variaram de 0 a 200 mLar.gmeio -1.h-1 e as fermentações conduzidas em biorreatores de colunas com leito fixo. As condições do meio de cultivo foram mantidas em 30°C, pH 4,5, umidade de 50% e concentração inicial de inóculo 4.106 esporos.gmeio -1. Os modelos matemáticos foram obtidos usando a aeração do meio e o tempo de fermentação como variáveis de controle. A função objetivo que representa o acréscimo da concentração do biossurfactante (primeira etapa) e da lipase (segunda etapa) foi otimizada fixando a aeração e calculando o tempo ótimo nas quais as concentrações máximas de biossurfactante e enzima foram obtidas em função do tempo de fermentação. A validação dos modelos de produção do biossurfactante foi realizada por meio da comparação dos resultados experimentais de dois Planejamentos Fatoriais 22 com os resultados gerados a partir do modelo. As Atividades Emulsificante encontradas na otimização experimental da produção de biossurfactante foram 11,17 UE.g-1 fornecendo 148 mLar.gmeio -1.h-1 na ausência de fonte adicional de carbono, 8,47 UE.g-1 com 119 mLar.gmeio -1.h-1 adicionado de óleo de soja e 9,99 UE.g-1 utilizando 140 mLar.gmeio -1.h-1 com óleo diesel. A utilização das fontes adicionais de carbono atuou como indutor da produção de lipase, sendo que a maior Atividade Lipolítica foi encontrada no experimento sem o fornecimento de ar utilizando diesel como fonte adicional de carbono (127,22 U.g-1 em 96h). Os resultados preditos comparados com os experimentais mostraram faixas estatisticamente iguais (p < 0,05) e as Atividades Emulsificante encontradas na otimização dos modelos sem fonte adicional de carbono e diesel foram, respectivamente, 8,03 UE.g-1 em 104h e 7,85 UE.g-1 em 111h e na otimização numérica da produção de lipase foram encontradas Atividades Lipolítica 100,31 U.g-1 em 103h, 117,02 U.g-1 em 90h e 124,12 U.g-1 em 119h para os experimentos sem fonte adicional de carbono, óleo de soja e óleo diesel, respectivamente. Os modelos confeccionados mostram a eficiência do processo de produção de biossurfactante e lipase, tornando uma ferramenta importante na fermentação em estado sólido com Aspergillus fumigatus, contribuindo significativamente para o uso de tecnologias simples e de menor risco ambiental.