Variáveis do processo de fermentação em estado sólido

Alguns aspectos são de extrema importância para um bom desenvolvimento do processo de fermentação em estado sólido. No aspecto da Engenharia, alguns fatores devem ser levados em consideração como o comportamento de transferência de calor e massa do sistema, projeto, escalonamento do processo e o monitoramento e controle das reações, do sistema de aeração e umidificação. Não menos importantes são os parâmetros biológicos do processo, como, efeito da composição de nutrientes do meio em termos da fonte de carbono, nitrogênio, sais e indutores, a temperatura, valores de pH, umidade, concentração do inóculo e ainda a porosidade do meio.

condutividade térmica e conseqüentemente a remoção do calor do processo pode ser baixa. Assim o acúmulo de calor no decorrer da fermentação pode ocasionar a desnaturação dos produtos formados, sendo que o controle do aquecimento está relacionado com a capacidade de aeração do sistema (Pandey, 2003).

Alta umidade resulta na diminuição da porosidade do substrato dificultando a penetração do oxigênio. Por outro lado, a baixa concentração de água pode piorar o acesso aos nutrientes, diminuindo o crescimento dos microrganismos. Assim a atividade de água (aw) é um parâmetro fundamental de controle (Pandey, 2003).

Entre os fatores limitantes da FES que requerem soluções para o escalonamento do processo destacam-se a formação de gradientes de umidade, pH, temperatura, oxigênio e distribuição do inóculo e substrato pela dificuldade de mistura (Rodriguez et al., 2006; Holker e Lenz, 2005; Chen et al., 2005; Couto e Sanromán, 2005; Holker et al., 2004; Raghavarao et al., 2003).

O processo de transferência de massa envolvido na FES pode ser dividido em escalas micro e macro. Na micro-escala o fator limitante é a natureza do microrganismo onde o crescimento depende da difusão dos gases inter e intrapartícula como também das enzimas, nutrientes e produtos do metabolismo. O processo em macro-escala envolve os processos de convecção natural, difusão e condução; a condução pela parede do biorreator e o resfriamento convectivo para o ambiente; a dimensão da vazão de ar necessária, os problemas de mistura no biorreator, incluindo a questão da integridade das partículas do substrato (Raghavarao et al., 2003).

Com o andamento da fermentação, ocorre um encolhimento do leito de substrato e a porosidade diminui, podendo ocorrer, posteriormente, a interrupção da transferência do calor gerado no sistema. Assim, o gradiente da temperatura no leito pode aumentar. A transferência de calor gerado no sistema de FES é um fator a ser controlado no decorrer do processo por estar diretamente correlacionada com a atividade metabólica do microrganismo. O desenvolvimento de equipamentos que proporcionem uma boa transferência de calor é um fato importante e, em geral, em escala industrial utiliza-se o fermentador com tambor rotativo, eficiente neste aspecto (Chen et al., 2005; Raghavarao et al., 2003).

Recentemente avaliou-se o emprego de pulsação de ar pressurizado e circulação interna de ar para acelerar a transferência entre o substrato e o ar externo. O controle da temperatura durante a FES com Penicillium decumbens JUA 10 é relatado com o uso desta técnica,

mostrando-se eficiente no controle efetivo da temperatura do sistema devido a possibilidade a remoção do calor formado. No entanto, deve-se tomar alguns cuidados com as taxas de pulsação de ar, pois quando estas forem maiores que 0,20MPa podem afetar o desenvolvimento do microrganismo, e assim ocasionar a diminuição da produtividade do bioprocesso (Chen et al., 2005).

A possibilidade de que temperaturas possam causar significativa desnaturação da enzima durante o processo de fermentação é um questionamento em relação ao mecanismo de controle da temperatura nos sistemas de FES. A modelagem matemática da desnaturação da enzima pode ser uma ferramenta usada para investigação deste comportamento através de dados existentes e parâmetros desenvolvidos, possibilitando a produção de enzimas e outros produtos termolábeis (Holker e Lenz, 2005; Santos et al., 2004).

A porosidade do leito da fermentação em estado sólido e a área superficial são fatores investigados em pesquisa durante a fermentação com Aspergillus oryzae em farelo de trigo e grãos de trigo. Há uma importante relação entre a taxa de oxigênio distribuído e o espaço entre as partículas de substrato. Assim, o aumento da porosidade do leito através do uso de menores ou um maior número de partículas do substrato é uma forma de facilitar os processos de transferência durante a fermentação em estado sólido. Outro fator de extrema importância é a formação do micélio aéreo do fungo no leito do suporte, pois este possui relação direta com a velocidade de formação da enzima (Rahardjo et al., 2005).

Partículas menores do substrato sempre resultam em uma maior área superficial para o desenvolvimento dos microrganismos. No entanto, o uso de partículas muito pequenas pode também resultar na aglomeração do substrato e, desta forma, dificultar o crescimento das células microbianas. Por outro lado, partículas maiores melhoram a aeração do sistema, mas a área superficial é diminuída, dificultando os processos de transferência de massa e de calor. Assim, o tamanho das partículas é um fator particular para cada processo (Couto e Sanromán, 2005). Para aumentar o desempenho da FES, alguns fatores devem ser ajustados de acordo com a especificidade do microrganismo e o substrato usado, facilitando a formação do micélio e contribuindo para formação da enzima hidrolítica (Rahardjo et al., 2005).

A preparação do inóculo de fungos é avaliada quanto à sua influência em processos de FES, comparando-se à inoculação com esporos extraídos do meio sólido, como pellets obtidos do crescimento dos fungos em meio líquido. O efeito do tempo de propagação e

concentração do inóculo são também considerações relevantes para o momento do estudo da produção de enzimas. Aumento de produção de 1,5 vezes foi obtido quando matriz sólida foi inoculada com pallets do fungo comparado ao inóculo com esporos (Gutarra, et al., 2007).