Modelagem matemática da produção de polihidroxialcanoatos por culturas mistas a partir de vinhaça de cana-de-açúcar - Rezende, Elias Gabriel Fernandes de (2022)
Os polímeros microbianos são uma classe de materiais considerados uma alternativa aos polímeros derivados do petróleo, pois são biodegradáveis e produzidos a partir de matérias-primas renováveis. Os polihidroxialcanoatos (PHA) é uma família de polímeros microbianos que tem se destacado nos últimos anos. PHA são poliésteres sintetizados intracelularmente como fonte de energia e carbono por vários microrganismos. Atualmente, a produção e comercialização de PHA em grandes escalas é prejudicada pelo alto custo produtivo, que está associado ao uso de substratos bem definidos e culturas puras de microrganismos. Dessa maneira, os PHA têm atraído a atenção de pesquisadores no sentido de viabilizar um processo de produção economicamente viável e, eventualmente, aumentar a produção para minimizar os problemas ambientais causados pelo uso de plásticos derivados do petróleo. A opção mais promissora para isso é a combinação de consórcios microbianos e águas residuárias. Diversos estudos ao redor do mundo já foram conduzidos nesse sentido, incluindo experiências em escala piloto. Entretanto, estudos brasileiros que investigaram a produção de PHA aplicando consórcios microbianos e águas residuárias são escassos. Recentemente, esse cenário foi impulsionado por um trabalho, no qual foi avaliado o reaproveitamento de uma água residuária abundante no Brasil, a vinhaça de cana-de-açúcar, para produção de PHA. Os resultados encontrados foram promissores e mais pesquisas são necessárias para resolver os gargalos e viabilizar o processo de produção de PHA a partir de vinhaça de cana-de-açúcar. Nesse sentido, o presente trabalho visa a construção de modelos matemáticos que descrevam a produção de PHA a partir de vinhaça de cana-de-açúcar. Tais modelos podem ser usados para estimar e identificar parâmetros cinéticos e estequiométricos característicos do processo, auxiliando na elaboração de experimentos e previsão do efeito de variáveis operacionais. Os modelos desenvolvidos nesta pesquisa descrevem as etapas de seleção de espécies produtoras de PHA e de acumulação de PHA. O modelo de seleção descreve o processo ocorrendo em um reator de bateladas sequenciais (SBR) submetido a condições de feast-famine e fornecimento desacoplado de carbono e nitrogênio sendo capaz de simular dados experimentais em diferentes condições operacionais. O modelo de acumulação descreve o processo em um reator de batelada alimentada e considera que tanto o consumo de substrato e produção de PHA são processos que ocorrem sem inibição, além disso o modelo de acumulação também considera a evolução de biomassa dentro do reator. Todos os modelos construídos foram submetidos a uma análise de sensibilidade local relativa a parâmetros e variáveis sendo possível identificar os parâmetros mais influentes dos processos e diminuir o número de parâmetros a serem determinados. Para determinação dos parâmetros, foi aplicado o método de otimização de parâmetros de Monte Carlo com Cadeia de Markov (MCMC), que também permitiu validar estatisticamente os modelos. A utilização destas técnicas fez com que os modelos descrevessem de forma correta o processamento da vinhaça de cana-de-açúcar em PHA e permitiu analisar o impacto que operar o reator SBR de seleção sob diferentes relações DQOt/Nitrogênio possui nos parâmetros livres dos modelos. Foi constatado que o consórcio microbiano selecionado sob maior relação DQOt/Nitrogênio apresentou maior rendimento de PHA referente a ácidos orgânicos (YPHA/H.Org) (0.740 ± 0.017). Além disso, o consórcio microbiano selecionado sem suplementação externa de nitrogênio apresentou uma resposta de crescimento em detrimento a acumulação de PHA, reforçado pelo maior crescimento de biomassa e rendimento de biomassa referente a ácidos orgânicos (YX/H.Org) (0.248 ± 0.020) observados nas corridas de acumulação.