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Produção de biorreator tipo bandeja fechado com aeração forçada em escala laboratorial
Gleiciane Pinheiro de Sousa1, Leandro Lemos Pereira2, Mauren Cristine A. Silveira3
1Acadêmica do Curso de Engenharia em biotecnologia e bioprocessos – UFT-Campus de Gurupi. 2Acadêmico do Curso de Engenharia em biotecnologia e bioprocessos – UFT-Campus de Gurupi. 3Acadêmica do Curso de Engenharia em biotecnologia e bioprocessos – UFT-Campus de Gurupi.
RESUMO. Biorreatores são reatores biológicos onde acontecem reações químicas entre substâncias a serem catalisadas por micro-organismos. Essas reações podem ser direcionadas através de controle físico-químico e manipulação genética destes agentes biológicos. Este artigo tem por objetivo a fabricação de um reator tipo bandeja fechado com aeração forçada direcionada para fermentação sólida ou seca, tendo um sistema de captação de produto e controle da aeração, temperatura e pH do produto a ser formado e do meio. As vantagens deste sistema é que há melhor controle da temperatura e da transferência de oxigênio do meio dentre os sistemas de fermentação sólida ou seca, além de utilizar resíduos agroindustriais, sendo a maioria sólida.
Palavras-chaves: biorreator tipo bandeja, aeração forçada, fermentação sólida.
Introdução
Denomina-se biorreatores, reatores bioquímicos, reatores biológicos,
reatores químicos nos quais ocorre uma série de reações químicas catalisadas por
biocatalisadores que podem ser enzimas ou células vivas (microbianas e animais ou
vegetais) (SCHIMIDELL, W., 2001).
Vários tipos de biorreatores foram desenvolvidos de acordo com o produto
requerido e as exigências dos agentes biológicos utilizados. Quando a substância a ser
catalisada é líquida e homogênea são usados biorreatores para processos submersos que,
em escala laboratorial, são frascos fechados esterilizados com ou sem agitação e
controle de temperatura, pH, produto formado, aminoácidos disponíveis, consumo de
fontes de carbono e nitrogênio. Quando a substância é sólida o controle de todos os
parâmetros é dificultado pela heterogeneidade do meio e os biorreatores podem ter
formas diferentes e serem abertos ou fechados. Tambores, rotativos ou não, tubos
imersos em água para melhor controle de transferência de temperatura e bandejas
fechadas ou abertas são considerados reatores estáticos, com ou sem aeração forçada.
Prado et al. (2002) demonstraram que a produção de CGTase por Bacillus
sp. do grupo alcalophilus durante fermentação em estado sólido é melhor que em
fermentação submersa. Pesquisas com fermentação em estado sólido têm apresentado
maiores produções de lipases, quando comparada com a fermentação submersa, esta
vantagem é atribuída à alta taxa de crescimento da biomassa e à baixa atividade
proteolítica (Diaz et al., 2006). Em trabalho publicado por J. Zhuang (2007) indicou que
os custos de produção de etanol em fermentação em estado sólido foi reduzida pela
metade em relação à fermentação submersa.
A produção brasileira de maçã, cerca de 850 mil toneladas, supre o mercado
interno para consumo in natura e o rigor do beneficiamento fez com que as maçãs
industriais se tornassem expressivas, pois podem atingir 200.000 toneladas na safra
2005/ 2006 (PRADO et al., 2013). Além de sidra e vinagre, é produzido suco
clarificado concentrado, o que abre as portas de exportação tanto para outros estados
quanto para outros países. O bagaço residual também pode ser aproveitado
(PAGANINI, C., 2005).
Este artigo tem por objetivo a fabricação de um reator tipo bandeja fechado
com aeração forçada direcionada para fermentação sólida ou seca, tendo um sistema de
captação de produto e controle da aeração, temperatura e pH do produto a ser formado e
do meio. As vantagens deste sistema é que há melhor controle da temperatura e da
transferência de oxigênio do meio dentre os sistemas de fermentação sólida ou seca,
além de utilizar resíduos agroindustriais, sendo a maioria sólida. Será aproveitado para
reprodução do processo publicado por Paganini, 2005 no artigo sob o título
Aproveitamento de bagaço de maçã para a produção de álcool e obtenção de fibras
alimentares.
Materiais e métodos
Os materiais utilizados para a construção do biorreator tipo bandeja fechado
com aeração forçada foram montados no laboratório de biotecnologia da Universidade
Federal do Tocantins em março de 2013 utilizando:
Duas bandejas plásticas com tampa marca Sanremo com dimensões 22,3cmx14,7cmx6cm com volume de 1800 ml
Compressor de Ar para aquário marca JEBO modelo 250 Aquarium Air Pump AC220v 60 Hz
Mangueira de silicone 1 metro Adaptador de ar para aquário Cola de silicone Prego Pistola de cola quente Termômetro Digital Papel filme Multiprocessador Wallita
A metodologia empregada na fabricação do biorreator tipo bandeja fechado
com aeração forçada foi conduzida utilizando duas bandejas plásticas, sendo uma com
furos feitos por um prego aquecido, a distância entre os furos de 3,5 cmx4cm e mais um
furo em cada lateral menor e dois na lateral maior chegando a um total de 18 furos. A
outra tem o objetivo de reter o produto da fermentação e é colocada por baixo da
primeira. Para realizar a aeração forçada no biorreator são inseridas duas mangueiras na
tampa da primeira bandeja. Essa tampa foi furada nas suas extremidades menores por
uma pistola de cola quente, sendo estes buracos para o encaixe das mangueiras. Essas
mangueiras são direcionadas para o compressor de ar que terá o papel de forçar a
aeração. Para a medição da temperatura é inserido na primeira bandeja o sensor do
termômetro. O papel filme é colocado por baixo da primeira bandeja para obstrução dos
furos na etapa inicial o processo. O multiprocessador é usado tanto para triturar as
maçãs, quanto para fazer a prensagem do bagaço.
Estes materiais serão usados para mimetizar a fermentação semi-sólida (ou
seca) apresentada no artigo Aproveitamento de bagaço de maçã para a produção de
álcool e obtenção de fibras alimentares publicado por Paganini et al. 2005.
Resultados e discussão
Após a fabricação do biorreator tipo bandeja fechado com aeração forçada,
há um ambiente biológico propício para que o agente biológico de interesse desenvolva-
se bem em condições adequadas tais como nutrientes apropriados, transferência de
oxigênio, controle de temperatura e atividade de água.
Na fermentação seca a biomassa utilizada é a maçã despectinizada
naturalmente pelas suas pectinases, em decomposição, maceradas e colocadas na
bandeja superior. Como no trabalho de Paganini, 2003 a melhor proporção entre água
de lavagem para extração foi obtida na proporção 0,6:1 tendo sólidos totais 79,2 g/L,
caracterizando uma fermentação seca, em que admite sólidos na proporção de pelo
menos 20% e com 10,5º Brix Obtendo-se uma porcentagem final de álcool de 4,66 %.
Para produção de álcool a partir da maçã o fornecimento de ar é suprimido
inicialmente por 5 a 10 horas em fermentação. Após esse período o ar é fornecido para
se obter o vinagre de maçã no mesmo biorreator, sendo retirado o papel filme que
obstrui os furos para escoamento do produto final (álcool ou ácido).
Conclusão
O uso de um biorreator em duas fases aproveitando bagaço de maçã para
obtenção tanto de álcool como de ácido a nível laboratorial pode ser de interesse
industrial, pois segundo Paganini (2003) o álcool obtido de frutas tem maior valor de
mercado que o álcool obtido de cana e o ácido acético da maçã é um produto de alto
valor, além de aproveitar o bagaço da maçã de maneira mais produtiva.
Referências
PRADO et al. Disponível em http://bj.ital.sp.gov.br/artigos/html/busca/PDF/v5nu098p.pdf. Acessado em 13/03/13.
DIAZ, J. C. M.; Rodríguez, J. A.; Roussos, S.; Cordova, J.; Abousalham, A.; Carriere, F.; Enzyme Microb. Technol. 2006, 39, 1042.
ZHUANG,J. M. A. Marchant, S. Nokes, H. J. Strobe. Economic analysis of cellulase production methods for bio‐ethanol. Applied Engineering in Agriculture vol. 23(5): 679‐687 2007 American Society of agricultural and biological engineers issn 0883-8542.
PAGANINI, Cícero. Alessandro Nogueira, Nelci Chiquetto Silva, Gilvan Wosiacki Aproveitamento de bagaço de maçã para a produção de álcool e obtenção de fibras alimentares. Ciências Agrotecnológicas, Lavras, v. 29, n. 6, p. 1231-1238, nov./dez., 2005.
SCHMIDELL, W.; Lima, U. A., Aquarone, E.; Borzani,W.; Biotecnologia: Engenharia Bioquímica. vol. 2. São Paulo: Blücher, 2001.