Ampliação de escala da produção de pectinases em fermentação no estado sólido

Abstract

Resumo: As pectinases têm o potencial de serem utilizadas em biorefinarias de polpa cítrica para hidrolisar a pectina a ácido D-galacturónico, um precursor de vários intermediários químicos úteis. Contudo, as pectinases comerciais são caras. A produção de pectinases em fermentação em estado sólido (FES) é uma estratégia para minimizar os custos, no entanto, os estudos disponíveis na literatura estão limitados a escala de laboratório. O objetivo do presente trabalho foi realizar a ampliação de escala da produção de pectinases em FES, da escala laboratorial até a escala piloto. O trabalho foi realizado em três etapas: (1) otimização das condições de cultivo em frascos Erlenmeyer, (2) cultivos em biorreator de colunas e (3) cultivos em biorreator piloto. Foram utilizadas duas combinações de substrato e cepas, farelo de trigo e bagaço de cana para Aspergillus niger e bagaço de laranja e bagaço de cana para Aspergillus oryzae. Com a otimização das condições de cultivo, foi possivel obter atividades pectinolíticas de 30 U g-sólido-seco-1 para A. oryzae e 31 U g-sólido-seco-1, para A. niger. Estas atividades são 100% e 24% maiores do que as atividades obtidas nas condições de cultivo que eram usadas para as respectivas cepas antes do estudo de otimização. Os cultivos em biorreatores foram realizados em um biorreator de colunas contendo 12 g de substrato seco e em um biorreator de leito fixo em escala piloto contendo 20-30 kg de substrato seco. Ambos receberam aeração com ar saturado a 30°C e em ambos foram monitorados o consumo de O2 e a produção de pectinases. No biorreator de colunas, para A. oryzae, foi obtida uma atividade pectinolítica de 45 U g-sólido-seco-1, em 24 h, que corresponde a uma produtividade de 1,87 U g-sólido-seco-1 h-1. Para A. niger foi obtida uma atividade pectinolítica de 33 U g-sólido-seco-1, em 24 h, mas a produtividade máxima, de 1,95 U g-sólido-seco-1 h-1, ocorreu em 16 h. O valor máximo de consumo de O2 para A. oryzae foi de 145 ?mol h-1 g-sólido-seco-1, em 26 h, e para A. niger foi de 540 ?mol h-1 g-sólido-seco-1, em 16 h. Estes valores correspondem a velocidades de produção de calor metabólico de 21×10-3 e 78×10-3 W g-sólido-seco-1, respectivamente. Os cultivos no biorreator piloto foram realizados com A. niger. A produção de pectinases foi semelhante àquele obtida no biorreator de colunas. Em um cultivo realizado com farelo de trigo, com um leito de 23 cm de altura, os valores máximos obtidos foram 29 U g-sólido-seco-1, em 24 h, para a atividade pectinolítica e 1,18 U g-sólido-seco-1 h-1, em 16 h, para a produtividade. O valor máximo para o consumo de O2, ocorreu em 16 h e foi de 607 ?mol h-1 g-sólido-seco-1, e corresponde a uma produção de calor metabólico de 87×10-3 W g-sólido-seco-1. No entanto, neste cultivo o leito compactou. Um cultivo realizado com farelo de trigo e bagaço de cana (90%:10%, por massa), com um leito de 40 cm de altura, propicionou valores máximos de 25 U g-sólido-seco-1, em 14 h, para a atividade pectinolítica e 1,81 U g-sólido-seco-1 h-1, também em 14 h, para a produtividade. Nas primeiras 14 h não houve compactação do leito e a temperatura máxima atingida no leito foi de 35ºC. Desta maneira, a estratégia proposta neste trabalho para a ampliação da escala do processo de produção de pectinases por fermentação no estado sólido foi de manter a altura do leito em 40 cm e aumentar a largura do leito para vários metros. Palavras-chave: Pectinases. Fermentação no estado sólido. Biorreator de leito fixo. Aumento de escala.

Abstract: Pectinases have the potential to be used in citrus waste biorefineries to hydrolyze pectin to D-galacturonic acid, a precursor of several useful chemical intermediates. However, pectinases are expensive. One strategy for minimizing costs is to produce the pectinases by solid-state fermentation (SSF), however, studies have been limited to laboratory scale. The aim of the present work was to scale-up an SSF process for pectinase production from laboratory scale to pilot scale. The work was carried out in three steps: (1) optimization of culture conditions in flasks, (2) cultivation in a column bioreactor and (3) cultivation in a pilot-scale bioreactor. Two combinations of substrate and strains were used, wheat bran and sugar cane bagasse for Aspergillus niger and orange bagasse and sugar cane bagasse for Aspergillus oryzae. With the optimization of culture conditions, it was possible to obtain pectinolytic activities of 30 U g-dry-solid-1 for A. oryzae and 31 U g-dry-solid-1 for A. niger. These values are 100% and 24% greater than the activities obtained using the culture conditions that were routinely used before the optimization. The fermentations in bioreactors were done in a column biorreator containing 12 g dry substrate and a pilot-scale packed-bed bioreactor containing 20-30 kg of dry substrate. Both were aerated with air saturated at 30°C. Both pectinase production and O2 consumption were monitored. In the column bioreactor, for A. oryzae the peak pectinolytic activity was 45 U g-dry-solid-1, in 24 h, which corresponds to a productivity of 1.87 U g-dry-solid-1 h-1. For A. niger, the peak pectinolytic activity was 33 U g-dry-solid-1, in 24 h, but the maximum productivity, of 1.95 U g-dry-solid-1 h-1, occurred at 16 h. The maximum O2 uptake rates occurred at 26 h for A. orzyae and were 145 ?mol h-1 g-1 and occurred at 16 h for A. niger and were 540 ?mol h -1 g-1. These values correspond to rates of metabolic heat production of 21×10-3 and 78×10-3 W g-dry-solid-1, respectively. The experiments in the pilot bioreactor were done with A. niger. The production of pectinases was similar to that obtained in the column bioreactor. In a fermentation done with wheat bran, using a bed height of 23 cm, the peak pectinolytic activity was 29 U g-dry-solid-1, at 24 h. Again, the maximum productivity, 1.18 U g-dry-solid-1 h-1, occurred at 16 h. The maximum O2 uptake rates, at 16 h, was 607 ?mol h-1 g-dry-solid-1, which corresponds to a metabolic heat production of 87×10-3 W g-dry-solids-1. However, in this fermentation the bed compacted. A fermentation done with wheat bran and sugarcane bagasse (90%:10%, by mass), with a bed height of 40 cm, gave maximum values of 25 U g-dry-solid-1, at 14 h, for the pectinolytic activity and 1.81 U g-dry-solid-1 h-1, also at 14 h, for the productivity. During the first 14 h, the bed did not compact and the maximum temperature obtained in the bed was 35ºC. It was concluded that the process for pectinase production could be scaled-up by maintaining the bed height of 40 cm and increasing the bed diameter to several meters. Key-words: Pectinases. Solid state fermentation. Packed-bed bioreactor. Scale-up.