Engenharia de leveduras floculantes

Abstract

A presente tese pretende contribuir para o esclarecimento de alguns dos principais fenómenos físicos e biológicos que têm lugar em sistemas que utilizam leveduras floculantes. Assim, alteraram-se as dimensões do tubo interno do bioreactor utilizado (de circulação por arejamento, aqui designado por airlift), por forma a melhorar as suas características hidrodinâmicas em presença de uma fase sólida. Esta alteração facilitou a circulação de maiores cargas de sólidos, com menores caudais de arejamento, melhorando a eficiência do sistema em termos energéticos. A cultura de uma estirpe floculante de Saccharomyces cerevisiae naquele bioreactor produziu flocos de levedura de dimensões consideráveis (até 5 mm de diâmetro) utilizados para os estudos subsequentes, nomeadamente na determinação da difusividade efectiva de dois compostos importantes em fermentação: a glucose e o oxigénio. Para obter estes valores revelou-se imprescindível o desenvolvimento e a implementação de duas novas técnicas: uma visando a determinação do tamanho dos flocos por análise de imagem assistida por computador e uma outra permitindo medir a variação, com o tempo, da concentração de solutos num meio líquido onde estão suspensos os flocos de levedura, sem os destruir. Os valores de difusividade assim obtidos foram mais baixos do que em sistemas onde a imobilização se fez em géis sendo, por outro lado, muito influenciados pela presença de um aditivo de floculação, que aumenta em cerca de quatro e oito vezes as difusividades da glucose e do oxigénio, respectivamente. Uma vez na posse dos valores das difusividades, a partir de um modelo matemático e com o auxílio de uma técnica computacional apropriada, simularam-se os perfis de concentração da glucose e do oxigénio no interior dos flocos, para vários tamanhos destes, diferentes concentrações dos solutos no meio e em presença e na ausência de um aditivo de floculação, tendo por base o modelo metabólico de capacidade respiratória limitada. Concluiu-se existirem fortes limitações difusionais no interior dos flocos, principalmente nos de maior tamanho, que condicionam o seu desempenho no seio dos sistemas onde são utilizados. Assim, a solução encontrada para o problema reside na diminuição do tamanho médio dos flocos, proporcionada pela introdução de agitadores estáticos no interior do tubo interno do bioreactor airlift. Conseguiram-se aumentos significativos na produtividade do sistema em etanol, e nas taxas específicas de consumo de glucose e de produção de etanol. Estudou-se, por fim, um método de estimação em linha da concentração de biomassa existente num bioreactor, a partir do consumo do reagente de controlo de pH. Estabeleceu-se uma relação formal entre a taxa específica de produção de protões e a taxa específica de consumo de azoto (directamente relacionada com a taxa específica de produção de biomassa) válida para metabolismo respiratório e respiro-fermentativo. Testou-se o método com uma fermentação em descontínuo (embora seja aplicável a qualquer tipo de operação), estando os valores estimados de concentração de biomassa de acordo com os valores determinados experimentalmente.

This thesis aims to be a contribution for the understanding of the physical and biological phenomena taking place in systems that make use of flocculating yeast strains. The dimensions of the draught tube of an airlift bioreactor are changed in order to improve its hydrodynamic characteristics in the presence of a solid phase. This alteration facilitates the circulation of higher solids loading using lower air flow rates, leading to a better energetic performance of the system. The growth of a flocculating strain of Saccharomyces cerevisiae in such a bioreactor makes it possible to obtain yeast flocs of a considerable size (up to 5 mm in diameter) which are used in the subsequent studies, namely for the assessment of the effective diffusivity of two important compounds in fermentation processes: glucose and oxygen. The evaluation of those values would have not been possible without the development and implementation of two new techniques: one of them deals with the assessment of the floc size by computer aided image analysis, while the other consists on the determination of the progress of the bulk solute's concentration with time in the presence of yeast flocs, by means of a modified diffusion cell that prevents floc damage. The diffusivity values obtained for yeast flocs are lower than those published for gel immobilisation systems being, on the other hand, very much affected by the presence of a flocculation additive, which increases four and eight fold the glucose and oxygen diffusivity, respectively. Once these diffusivity values are known, the development of a suitable mathematical model and a proper computational technique allow for the simulation of glucose and oxygen profiles in the flocs, for several floc sizes, bulk solute concentrations, with and without flocculation additive, using the respiratory bottleneck model as a basis. The occurrence of strong diffusional limitations inside the flocs, specially in those with a bigger diameter, is confirmed. Being so, a solution for the problem was proposed based on the reduction of the floc size by means of static mixers introduced along the draught tube of the airlift bioreactor. Significant increases in ethanol productivity and in both the specific glucose uptake rate and the specific ethanol production rate are achieved. Finally, a method for on-line estimation of biomass concentration inside a bioreactor through the consumption of pH control reagent is dealt with. A formal relation between the specific rate of proton production and the specific rate of nitrogen consumption (directly related to the specific rate of biomass production) is established, which is valid for respiratory and respiro-fermentative metabolism. The method is tested during a batch fermentation (although it may be used in fed-batch and continuous systems, as well), being the estimated values of biomass concentration in very good agreement with the experimentally determined ones.