Ampliação de escala da produção de lipases de Rhizopus microsporus CBPQA 312-07 DRM por fermentação em estado sólido : da escala de laboratório à escala piloto

Abstract

A síntese de biodiesel em processos industriais é feita principalmente por transesterificação alcalina de triacilgliceróis provenientes de óleos vegetais com álcoois de cadeia curta. Este processo apresenta algumas desvantagens, como a necessidade de purificação do biodiesel, para remoção do catalisador e do sal formado e a necessidade do uso de matérias-primas refinadas. Uma das alternativas para contornar os problemas associados à catálise química é a utilização do processo enzimático com lipases, que podem catalisar reações de esterificação e de transesterificação e dispensam o uso de matérias-primas purificadas. No entanto, o desenvolvimento e a implantação do processo industrial utilizando lipases ainda são dificultados pelo elevado custo da enzima. A produção de lipases em fermentação em estado sólido (FES) é uma estratégia para minimizar os custos de produção da enzima, no entanto, os estudos disponíveis na literatura estão limitados à escala de laboratório. O objetivo do presente trabalho foi estudar a ampliação de escala da produção de lipases por Rhizopus microsporus CBPQA 312-07 DRM em FES, da escala laboratorial até a escala piloto, visando a aplicação do sólido fermentado contendo lipases na síntese de ésteres do biodiesel. O trabalho foi realizado em quatro etapas: (1) otimização das condições de cultivo em frascos Erlenmeyer; (2) cultivos em biorreator de colunas; (3) cultivos em biorreator piloto e (4) simulação do processo de FES utilizando o modelo matemático de von Meien e Mitchell (2002) e o número de Damköhler modificado. Com a otimização das condições de cultivo foi possível reduzir em 68% os custos com o meio de cultivo, composto de 50% de farelo de trigo e 50% de bagaço de cana (g g-1, base seca), suplementado apenas com ureia (3,4% g g-1, substrato seco). Este meio otimizado foi utilizado para aumentar a escala de produção de sólidos fermentados, de 10 g em biorreator de colunas de laboratório para 15 kg em biorreator de leito fixo piloto. Com este aumento de escala, a atividade de hidrólise do sólido fermentado diminuiu de 265 U g-1 em 18 h no biorreator de colunas para 113 U g-1 em 20 h no biorreator piloto, uma diminuição de 57%. Por outro lado, a atividade de esterificação diminuiu apenas 14%, de 12,1 U g-1 para 10,4 U g-1. Quando os sólidos fermentados produzidos em biorreatores de laboratório e piloto foram secos e adicionados diretamente a um meio reacional livre de solventes para catalisar a esterificação do ácido oleico com etanol, ambos proporcionaram a mesma conversão em éster, 69% em 48 h. Estes resultados mostram o potencial de utilização da FES em escala comercial para produzir lipases de baixo custo para a produção de biodiesel. O modelo de von Meien e Mitchell (2002) e o número de Damköhler modificado mostraram-se ser ferramentas úteis para guiar o aumento de escala do processo de produção de lipases por Rhizopus microsporus em FES. A estratégia proposta neste trabalho para a ampliação da escala do processo ao nível comercial foi de utilizar uma altura de leito de 100 cm e aumentar a largura do leito para vários metro

The synthesis of biodiesel in industrial processes is currently performed by alkaline transesterification of triacylglycerols from vegetable oils with short-chain alcohols. This process has some disadvantages, such as the need of biodiesel purification, to remove the catalyst and the salt formed and the need to use refined feedstocks. One possible strategy for avoiding problems associated with chemical catalysis is to use lipases as catalysts, given that they can catalyze both esterification and transesterification and do not require highly purified raw materials. However, the enzymatic route is currently not competitive, due to the high cost of the lipases. One strategy for minimizing costs is to produce the lipases 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 lipase production by Rhizopus microsporus CBPQA 312-07 DRM from laboratory scale to pilot scale, with the intention of producing fermented solids containing lipases that are suitable for use in the synthesis of biodiesel esters. The work was carried out in four steps: (1) optimization of culture conditions in flasks; (2) cultivation in a column bioreactor; (3) cultivation in a pilot-scale bioreactor and (4) simulation of the SSF process using the von Meien and Mitchell (2002) model and the modified Damköhler number. The optimized culture medium contained 50% wheat bran and 50% sugarcane bagasse (w/w, dry basis), supplemented only with urea (3.4% w/w, dry substrate). It cost 68% less than the medium that had previously been used for lipase production by this strain. We used the optimized medium to scale-up production of fermented solids, from 10 g in a laboratory column bioreactor to 15 kg in a pilot packed-bed bioreactor. With this increase of scale, the hydrolytic activity of the fermented solid obtained decreased from 265 U g-1 at 18 h in the laboratory bioreactor to 113 U g-1 at 20 h in the pilot bioreactor, a decrease of 57%. On the other hand, the esterification activity decreased by only 14%, from 12.1 U g-1 to 10.4 U g-1. When the fermented solids produced in the laboratory and pilot bioreactors were dried and added directly to a solvent-free reaction medium to catalyze the esterification of oleic acid with ethanol, both gave the same ester conversion, 69% in 48 h. These results show the potential for using solid-state fermentation at commercial scale to produce low-cost lipases for biodiesel production. With the experimental data obtained in this work, it was possible to validate the mathematical model of von Meien and Mitchell (2002). The von Meien and Mitchell (2002) model and the modified Damköhler number were shown to be useful tools to guide the scaling up of the lipase production by Rhizopus microsporus in SSF. The strategy proposed in this work to expand the process on a commercial scale was to use a bed height of 100 cm and increase the width of the bed to several meters