Fermentação em biorreatores de bancada do hidrolisado

usando diferentes regimes de fermentação.

4.2.4.1 Fermentação do Hidrolisado Hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar em Fermentadores de Bancada

Ensaios iniciais foram conduzidos em biorreator de bancada com capacidade total de 1 litro New Brunswisck Scientific Co., USA, modelo Multigen (Figura 4.1) com controle de temperatura e agitação. Foram utilizados 600 mL de meio de fermentação.

Figura 4.1 - Biorreator de bancada com capacidade total de 1 litro New Brunswisck Scientific Co. USA, modelo Multigen

Fonte: Arquivo pessoal

A esterilização do fermentador foi realizada em autoclave sob pressão manométrica de 1 atm (121 °C) por 15 minutos. O fermentador foi equipado por sensores de pH, de temperatura e de oxigênio dissolvido (DO) e um condensador, e operado em modo descontínuo. O ar foi adicionado constantemente durante o processo de fermentação através de um compressor de ar cuja entrada de ar no

biorreator foi realizada por um ―sparger‖. A vazão de ar para cada ensaio (Tabela 4.3) foi controlada por um rotâmetro e medida com um fluxímetro de bolha. Os parâmetros pH e DO foram medidos por um transmissor Mettler Toledo M300 multiparâmetro de dois canais.

O processo foi iniciado pelo preenchimento do biorreator com hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar previamente destoxificado, suplementado de acordo com a condição determinada nos experimentos em frascos Erlenmeyer (item 4.2.3), sendo também adicionado antiespumante. Em seguida os parâmetros operacionais foram ajustados para temperatura de 30 °C e pHinicial, vazão de ar e agitação segundo planejamento central composto rotacional com três repetições no ponto central. A concentração inicial de células de S. stipitis no biorreator foi de 1,0 g/L, para todos os ensaios. Na Tabela 4.3, o sinal (+) representa o nível máximo; o sinal (-) o nível mínimo e o sinal (0) o ponto central. Como variável resposta foi considerada o fator de rendimento de xilose em etanol.

Tabela 4.3 – Níveis codificados para o estudo da influência das variáveis agitação, aeração e pH inicial na produção de etanol a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar em biorreator de bancada com capacidade nominal de 1 litro.

Parâmetros

Níveis

Axial Inferior Central Superior Axial

(-α) (-) 0 (+) (+α)

X1 (pH inicial) 4,32 5,00 6,00 7,00 7,68

X2 (vazão de ar, vvm) 0,03 0,20 0,45 0,70

0,87

X3 (Agitação, rpm) 99 150 225 300 351

Fonte: Arquivo pessoal

O processo em batelada foi conduzido até 96 h, com retiradas periódicas de amostras a cada 12 h para determinação de pH, concentração de células, xilose, glicose, arabinose, xilitol, etanol e ácido acético posteriormente analisadas em CLAE.

Depois da determinação da melhor condição experimental, a produção de etanol foi conduzida em reator agitado - STR adquirido da Bioengineering (Wald, Suíça) tipo KLF2000, com capacidade nominal de 2,4 litros (Figura 4.2) contendo 1,5 L de meio nutricional.

Segundo Dussán et al. (2016), que também investigou o uso desse equipamento, o fermentador foi equipado por sensores de pH, de temperatura e

de oxigênio dissolvido (DO), um condensador e um banho termostático (Sppencer) e operado em modo descontínuo. O ar comprimido foi adicionado com o auxílio de uma bomba de ar constantemente durante o processo de fermentação. A instrumentação e controle do fermentador incluíram um sistema de controle direto dos parâmetros do processo, temperatura e agitação, sendo que os parâmetros pH e DO foram medidos por um transmissor Mettler Toledo M300 multiparâmetro de dois canais. As medidas de vazão de ar foram realizadas conforme descritas no fermentador New Brunswick de 1L. O processo de esterilização foi realizado ―in situ‖ com aquecimento elétrico (800W) e jaqueta de segurança.

As condições de agitação, aeração e pH inicial foram definidas baseando- se nos valores otimizados obtidos no fermentador New Brunswick de 1L. Com esses valores de agitação e aeração foi possível calcular o coeficiente volumétrico de transferência de O2 (kLa) inicial. Para escalar o processo para o fermentador de 2,4 L foi fixada a agitação otimizada e foi variada a vazão de ar até atingir o kLa desejado.

O processo em batelada foi conduzido a 30 ºC por um período de 96 h, com retiradas periódicas de amostras a cada 12 h para determinação de pH, concentração de células, xilose, glicose, arabinose, xilitol, etanol e ácido acético.

Figura 4.2 - Biorreator agitado – STR capacidade total de 2,4 L empregado no processo de obtenção de etanol a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar usando as leveduras Scheffersomyces stipitis.

4.2.4.2 Fermentação do Hidrolisado Hemicelulósico de bagaço de cana-de açúcar em Fermentador STR em batelada alimentada

O processo em batelada alimentada foi conduzido em reator agitado - STR Bioengineering (Wald, Suíça) tipo KLF2000, com capacidade nominal de 2,4 litros equipado conforme o processo descontínuo (item 4.2.4.1). Os parâmetros operacionais, volume inicial e final do meio, vazão de ar, agitação, temperatura e aeração, foram ajustados segundo a Tabela 4.4. O meio de fermentação foi hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar suplementado com extrato de levedura (0,5 g/L), peptona (2,0 g/L), fosfato de potássio (0,5 g/L), sulfato de magnésio (0,5 g/L), e sulfato de zinco (0,01 g/L), de acordo com as condições otimizadas anteriormente pelo planejamento de mistura (item 4.2.3).

A batelada alimentada (―fed-batch‖, Figura 4.3) foi controlada utilizando uma bomba peristáltica (Watson). Previamente, foi realizado uma análise da velocidade de consumo do substrato (dS/dt) no processo de fermentação por bateladas com o objetivo de definir o tempo no qual o processo de alimentação devia ser iniciado.

O processo de batelada alimentada foi conduzido durante 60 h, com retiradas periódicas de amostras a cada duas horas após começado o processo de alimentação. Estas amostras foram estocadas para determinação do pH, da concentração de células, xilose, glicose, arabinose, xilitol, etanol e ácido acético.

Tabela 4.4 – Parâmetros operacionais utilizados no processo de fermentação de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar em batelada alimentada

Fonte: Arquivo pessoal

Experimentos Volume inicial (mL) Volume de alimentação (mL) Vazão de ar (L/h) Agitação (rpm) pH inicial Temperatura (°C) Aeração (vvm) 1 500 1000 0,0833 225 6,0 30 0,3 2 800 700 0,0685 225 6,0 30 0,3 3 1000 500 0,042 225 6,0 30 0,3

Figura 4.3 - Biorreator agitado – STR capacidade total de 2,4L em Batelada alimentada empregado no processo de obtenção de etanol a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar usando as leveduras Scheffersomyces stipitis.

Fonte: Arquivo pessoal