Effect of a magnetic field on discontinuous alcoholic ... · 2 Material e métodos 2.1 Aparato...

Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010DOI: 10.4260/BJFT2010130100006

Autor Correspondente | Corresponding Author

Recebido | Received: 23/06/2008Aprovado | Approved: 14/12/2009

Resumo

Neste trabalho foi realizado o estudo da influência do campo magnético sobre a fermentação alcoólica em modo descontínuo (batelada), utilizando-se Saccharomyces cerevisiae comercial como inóculo e glicose (PA) como fonte de carbono e energia (substrato). Foi avaliada a influência de campo magnético gerado por condicionador magnético e por pares de ímãs, utilizando-se tubo de ensaio e fermentador como biorreatores, implementando-se diferentes condições experimentais referentes à concentração celular inicial (Saccharomyces cerevisiae comercial) e à concentração de substrato inicial (glicose), analisando-se as variáveis de processo das concentrações iniciais (S0) e finais (Sf) de glicose, concentrações iniciais (X0) e finais (Xf) de célula (expressas em matéria seca), concentração final de etanol (Ef), estimativa do tempo final de fermentação (tf), rendimento na produção de etanol (η) e produtividade (Pr). Os resultados obtidos na primeira e na segunda etapa do projeto, nas quais foi utilizado tubo de ensaio como biorreator (20 mL) e variando-se a concentração inicial de substrato (170 a 20 g.L–1), a concentração inicial de células (30 a 0,2 g.L–1), o condicionador magnético (250 e 420 Gauss) ou os pares de imãs (5000 Gauss), permitiram concluir que a presença de campo magnético dentro da faixa estudada de campo magnético não resultou em diferença significativa em todas as condições estudadas. Na terceira e na quarta etapa do projeto, foi utilizado fermentador (7 L) como biorreator variando-se a concentração inicial de substrato (155 a 46 g.L–1), a concentração inicial de células (22 a 3 g.L–1), o condicionador magnético ou os pares de imãs, podendo-se concluir mais uma vez que não foi possível detectar a influência do campo magnético. Portanto, nas condições experimentais estudadas, não existiu a comprovação de algum benefício ocasionado pela presença de campo magnético no processo de produção de etanol em modo batelada.

Palavras-chave: Fermentação alcoólica; Batelada; Campo magnético.

Summary

In this study the effect of a magnetic field on the discontinuous alcoholic fermentation process was studied, using commercial Saccharomyces cerevisiae as the inoculum and glucose (PA) as the carbon and energy source (substrate). The magnetic field was generated by a magnetic conditioner and by a pair of magnets, using a test tube and a fermenter as the bioreactors, implementing different experimental conditions with respect to the initial cell concentration (commercial Saccharomyces cerevisiae) and the initial substrate (glucose) concentration. The process variables analyzed were: initial (S0) and final (Sf) glucose concentrations, initial (X0) and final (Xf) cell concentrations (in terms of dry matter), final ethanol concentration (Ef), estimation of the final fermentation time (tf), ethanol production yield (η) and productivity (Pr). The results obtained in the first and second stages of the project, in which a test tube was used as the bioreactor (20 mL), varying the initial substrate concentration (170 to 20 g.L–1), initial cell concentration (30 to 0.2 g.L–1), and using a magnetic conditioner (250 and 420 Gauss) or pair of magnets (5000 Gauss), showed that the presence of the magnetic field did not result in any significant difference under the conditions investigated. In the third and fourth stages of the project a 7-L fermenter was used as the bioreactor, varying the initial substrate concentration (155 to 46 g.L–1), initial cell concentration (22 to 3 g.L–1), and magnetic conditioner or pair of magnets. Once again no influence of the magnetic field on the alcoholic batch fermentation process was detected. Thus under the experimental conditions investigated, there was no evidence of any benefit for the presence of a magnetic field on the discontinuous production of ethanol.

Key words: Alcoholic fermentation; Batch process; Magnetic field.

Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínuaEffect of a magnetic field on discontinuous alcoholic fermentation

Autores | Authors

Pollyana LOPES Walter BORZANI

Escola de Engenharia Mauá (EEM)Instituto Mauá de Tecnologia (IMT)

Departamento de Engenharia Química e de Alimentos

e-mail: [email protected]@maua.br

José Alberto Domingues RODRIGUES

Escola de Engenharia Mauá (EEM)Instituto Mauá de Tecnologia (IMT)


Praça Mauá 1CEP 09580-900

São Caetano do Sul/SP - Brasile-mail: [email protected]

Suzana Maria RATUSZNEI Escola de Engenharia Mauá (EEM)Instituto Mauá de Tecnologia (IMT)


e-mail: [email protected]

Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010 39

Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua

LOPES, P. et al.

www.ital.sp.gov.br/bj

Motta et al. (2004) também estudaram o efeito do campo magnético na fermentação alcoólica, utilizando glicose como substrato. O sistema era composto por dois reatores de 200 mL de capacidade nominal, agitados mecanicamente a 23 ºC. Cinco pares de magnetos eram colocados diametralmente opostos ao redor da parede de um dos reatores, possibilitando exposição da Saccaromyces cerevisiae DAUFPE-1012 a campo magnético de 2200 Gauss. Amostras do meio de cultura, composto por extrato de levedura e glicose (2%), eram retiradas em intervalos de 2 h durante 24 h para determinação da concentração celular, de glicose e de etanol. Os resultados apontaram acréscimo da concentração celular em 2,5 vezes e da concentração de etanol em 3,4 vezes, nas culturas magnetizadas comparadas as que não foram expostas ao campo.

Mais recentemente, Perez et al. (2007) estudaram o efeito do campo magnético na produção de etanol durante a fermentação em batelada, utilizando caldo de cana como substrato. O meio de cultura do fermentador era recirculado externamente por um tubo de aço inoxidável inserido em dois geradores de campo magnético. A velocidade de recirculação e a intensidade do campo magnético variaram de 0,6-1,4 m.s–1 e 50-200 Gauss, respectivamente. Como resultado foi observado um aumento de 17% no rendimento do processo na melhor condição de tratamento (0,9-1,2 m.s–1 e 200 Gauss). Enquanto o processo tradicional de fermentação demorou 15 h, com a aplicação dos ímãs acoplados ao biorreator esse tempo foi reduzido para 12 h. Segundo os autores, o ganho de produção foi possível porque o campo magnético provavelmente alterou o metabolismo das leveduras e aumentou a produtividade, sendo tal efeito justificado pela potencial influência do campo magnético sobre as membranas celulares, alterando a permeabilidade à passagem de nutrientes. Assim, a permeabilidade aumenta, o transporte de substrato no interior da célula também aumenta, resultando em maior produção de etanol. Embora o resultado tenha sido comprovado pelos pesquisadores, esses efeitos biológicos dos campos magnéticos ainda não foram completamente elucidados. Uma outra hipótese atribui ao campo magnético a capacidade de influenciar de alguma forma as enzimas que são os catalisadores biológicos, deixando-as numa conformação mais apropriada para reagir com o substrato e com outros compostos do processo.

Assim, verifica-se que a influência de campos magnéticos em processos biológicos pode depender de vários fatores, tais como o microrganismo responsável pela biotransformação, a composição do meio, a temperatura, a concentração microbiana, a intensidade do campo magnético, a variação dessa intensidade ao longo do tempo e o tempo de aplicação do campo

Introdução1

A influência de campos magnéticos sobre sistemas biológicos em geral é abordada em literatura para processos de interesse industrial (KOKHOLM e GORMSEN, 1983), como no cultivo de Escherichia coli (OKUNO et al., 1993; KAZUMASA et al., 1994; JUSTO et al., 2006a), na produção de antibióticos (AL-QODAH, 2000), no processo fermentativo por Taxas chinensis (SHANG et al., 2004), na fermentação do Lactococcus lactis (JUSTO et al., 2006b), na fermentação da bactéria Rhodobacter sphaeroides IFO 12203 (UTSUNOMIYA et al., 2003) e no crescimento da bactéria Spirulina plantesis (HIRANO et al., 1998). No campo do tratamento de águas residuárias, existem estudos da influência da aplicação de campo magnético no processo de lodo ativado (SAKAI et al., 1991; HATTORI et al., 2001; 2002) e na biodegradação de fenol (OSAKI et al., 1991; RAJA RAO et al., 1997). Nesses estudos, os resultados avaliam a influência do campo magnético sobre o crescimento da biomassa, a viabilidade celular, a velocidade de conversão do substrato, a velocidade de produção etc., para diferentes condições de processo relacionadas à concentração celular e de substrato, intensidade de campo magnético e a forma de contato entre o campo magnético e o meio líquido.

Nesse contexto, alguns trabalhos referem-se à levedura Saccharomyces cerevisiae utilizada na fermentação alcoólica. Ivanova et al. (1996) analisaram a viabilidade da aplicação de campo magnético de 800 a 2600 Gauss no processo de fermentação contínua para a produção de etanol, com células de Saccharomyces cerevisiae imobilizadas e meio de cultura composto por glicose com concentração de 110-180 g.L–1 e nutriente a 32 ºC. O processo de fermentação foi realizado com campo magnético transversal ao escoamento do fluido. Como resultado, um aumento na concentração de etanol e velocidade de consumo de substrato foi obtido, comparando-se ao processo convencional.

Motta et al. (2001) estudaram a influência do campo magnético no cultivo de Saccharomyces cerevisiae, aplicando um campo magnético de 1100 e 2200 Gauss e analisando o crescimento celular e a atividade metabólica do microrganismo, estimada pelo dióxido de carbono produzido e pelas alterações do pH do meio. Para análise do crescimento da biomassa, frascos de vidro contendo 10 mL do meio de fermentação (glicose 2%) e inoculados com 10% de suspensão celular eram incubados a 25 ºC e observados durante 24 h, sendo amostrados a cada 2 h. Um sistema de reatores idêntico foi montado para a determinação da produção de CO2, estando os frascos fechados e na presença de um manômetro. Os resultados apresentaram incremento no crescimento celular de 1,84% e na produção de CO2 de 36,1%, quando na presença de campo magnético de 2200 Gauss.



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magnético. Assim, devido à limitação de trabalhos publicados, existe a necessidade da busca por maiores conhecimentos da influência da utilização de campos magnéticos em processos biológicos.

Neste contexto, este trabalho teve como objetivo principal a avaliação da influência do campo magnético sobre a fermentação alcoólica em modo descontínuo (batelada), utilizando Saccharomyces cerevisiae comercial como inóculo e glicose (PA) como fonte de carbono e energia (substrato). A justificativa para a realização deste trabalho se baseia na busca do conhecimento sobre o efeito da atuação do campo magnético nos microrganismos responsáveis pelo processo de produção de etanol no modo batelada, dada a atual importância atual desse combustível e pela ausência de trabalhos em literatura com relação ao tema proposto. Dessa forma, foram realizados ensaios com campo magnético gerado por condicionador magnético e por pares de ímãs, utilizando tubo de ensaio e fermentador como biorreator, implementando diferentes condições experimentais referentes à concentração celular inicial (Saccharomyces cerevisiae comercial) e à concentração de substrato inicial (glicose).

Material e métodos2

2.1 Aparato experimental

Na realização de alguns ensaios, utilizou-se o condicionador magnético Aqua Shield, modelo CMR-25HD. O condicionador, esquematizado na Figura 1, possui indução magnética variável, em relação à posição dentro do tubo de recirculação. O condicionador apresentou valor máximo de 420 Gauss (indução magnética máxima – IMM) e valor mínimo de 250 Gauss nas proximidades das extremidades do tubo.

Devido ao fato da indução magnét ica do condicionador ser muito variável, optou-se em alguns ensaios por sua substituição por três pares de ímãs, fornecidos pela empresa Sumetal Mercantil. O esquema de um ímã é apresentado na Figura 2. As medidas de indução magnética na superfície dos ímãs revelam campo magnético mais definido e mais intenso, atingindo o pico de aproximadamente 5000 Gauss.

Também foram utilizados fermentadores Biolafitte de 15 L de capacidade nominal, representado na Figura 3.

2.2 Microrganismo

Foi utilizado, em todos os ensaios, fermento de panificação prensado comercial da marca Itaiquara (Saccharomyces cerevisiae), sendo este peneirado

ÍrmãsTubo de

recirculaçãodo meio

18030077

22

100

100

200

300

400

500

200 300 400 5000In

duçã

o m

agné

tica

(Gau

ss)

Comprimento do tubo (mm)

a

b

Figura 1. a) Esquema (cotas em mm) e b) Perfil de indução magnética do condicionador magnético utilizado no estudo.

Figura 2. a) Esquema (cotas em mm) e b) Perfil de indução magnética do ímã utilizado no estudo.

0 25 50 75 100 125 150 175 2000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Comprimento do imã (mm)

Indu

ção

mag

nétic

a (G

auss

)

+ –

200

100

18

13 44

44

a

b

em peneiras de abertura de 2 por 3 mm antes de sua utilização e conservado em frascos de vidro fechados à temperatura de 1 a 8 ºC, por no máximo dois dias quando utilizados em mais de um ensaio.



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tubos foi inserido no interior do condicionador magnético. O outro tubo não foi submetido à influência do campo magnético. Periodicamente mediam-se as massas dos tubos com meio de fermentação, com o objetivo de se determinar o tempo de fermentação (Figura 4).

b) Experimentos utilizando tubos de ensaio como reatores e pares de ímãs: Nessa metodologia foram utilizados três tubos de ensaio (12 mm de diâmetro e 150 mm de comprimento) contendo o mesmo volume do mesmo meio de fermentação (20 mL). Um dos tubos foi colocado entre os três pares de polos positivos e outro entre os três pares de polos negativos (Figura 5). A distância entre os magnetos era de aproximadamente 12 mm. O terceiro tubo ficava distante dos ímãs. Periodicamente mediam-se as massas dos tubos com meio em fermentação, com o objetivo de se determinar o tempo de fermentação.

Vale destacar que, nas duas metodologias em que foram utilizados tubos de ensaio, foram medidas as concentrações iniciais de glicose e de levedura e as concentrações finais de glicose, de levedura e de etanol (Figura 5). Além disso, deve ser citado que o objetivo de utilizar campo magnético divergente (positivo/positivo e negativo/negativo) foi o de verificar a influência de campos magnéticos de mesmo polo sobre as amostras, ou seja, apenas o positivo e apenas o negativo, podendo-se dessa forma analisar a influência de cada um.

c) Experimentos uti l izando fermentadores e condicionador magnético: Nessa metodologia a fermentação foi realizada em reator (7,5 L), sendo o meio em fermentação recirculado de forma a passar pela região contendo o condicionador. Periodicamente, mediam-se as concentrações de célula, de glicose e de etanol. Em paralelo realizava-se uma fermentação em idênticas condições, mas na ausência do condicionador magnético (Figura 6).

d) Experimentos utilizando fermentadores e ímãs: Nessa metodologia a fermentação foi realizada em reator (7,5 L), havendo a recirculação externa do meio líquido de forma a passar pela região contendo os imãs. Os três pares de imãs foram colocados ao longo do tubo de modo divergente, ou seja, polos positivo/positivo e negativo/negativo. Periodicamente, mediam-se as concentrações de célula, de glicose e de etanol. Em paralelo realizava-se uma fermentação em idênticas condições, mas na ausência dos ímãs (Figura 7).

2.3 Planejamento experimental

Utilizaram-se quatro metodologias para o estudo da influência do campo magnético na fermentação.

a) Experimentos utilizando tubos de ensaio como reatores e o condicionador magnético: Nessa metodologia foram utilizados dois tubos de ensaio (12 mm de diâmetro e 150 mm de comprimento), contendo o mesmo volume do mesmo meio de fermentação (20 mL). Um dos

B D E F C

G G

H

M

J

200

L

I 505

A

Figura 3. Esquema do fermentador utilizado no estudo da influência do campo magnético sobre a fermentação alcoólica descontínua (cotas em mm). (A - tampa; B - entrada de água no sistema de aquecimento e resfriamento; C – saída de água do sistema de aquecimento e resfriamento; D, E e F – conexões auxiliares para transferências assépticas de meio e adição de antiespumante; G – chicanas; H – eixo; I – nível inicial de líquido; J – turbina de 4 pás (20 mm x 20 mm) com 90 mm de diâmetro externo; L – bocal para termopar; M – dreno).



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Figura 4. Fotografia do sistema para ensaios com a utilização de tubos de ensaio como reatores e condicionador magnético.

Figura 5. Fotografia do sistema para ensaios com a utilização de tubos de ensaio como reatores e ímãs.

Figura 6. Fotografia do sistema para ensaios com utilização de fermentador e condicionador magnético.

Figura 7. Fotografia do sistema para ensaios com utilização de fermentador e ímãs.



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= ⋅ − σ ⋅ρ

0XVa V 1 (5)

η= ⋅ − ⋅ σ ⋅ρ

0f0

XE 1 S0,511 (6)

= − ⋅ σ ⋅ρ

00 0

XS ' 1 S (7)

η= ⋅f0

E S '0,511

(8)

A produtividade de um processo fermentativo é definida como a relação entre a concentração de produto formado e o tempo decorrido (LUEDEKING, 1967).

−= f 0

f

E EPt

(9)

sendo: E0 – concentração inicial de etanol (nesse caso, E0 =0), g.L–1; Ef – concentração final de etanol, g.L–1; Ef – concentração final de etanol, g.L–1; MEP – massa de etanol produzida, g; MSC – massa de substrato consumida, g; S’0 – concentração inicial de glicose corrigida, g.L–1; S0 – concentração inicial de glicose, g.L–1; Sf – concentração final de glicose, g.L–1; tf – tempo final de fermentação, h; V – volume de meio no reator, L; Va – volume da fase aquosa do meio, L; X’0 – concentração inicial de células em base úmida, g.L–1; X0 – concentração inicial de células em base seca, g.L–1; Xf – concentração final de células em base seca, g.L–1; η – rendimento do processo, %; ρ – densidade do microrganismo, g.L–1 (admitindo 1100 g.L–1); σ – teor de matéria seca da levedura, adimensional (admitindo 0,3).

As Tabelas 2 a 5 mostram a programação dos ensaios realizados.

Dessa forma, as pr incipais di ferenças em relação aos trabalhos encontrados em literatura foram (IVANOVA et al., 1996; MOTTA et al. 2001; MOTTA et al., 2004; PEREZ et al., 2007): (i) avaliar a influência de campos magnéticos de 250-420-5000 Gauss, ou seja, com um intervalo amplo; (ii) avaliar a influência de campos magnéticos divergentes; (iii) avaliar a influência de campos magnéticos gerados por condicionador e imãs; (iv) avaliar a influência de diferentes tipos de biorreatores – tubo de ensaio e fermentadores; (v) utilizar Saccharomyces cerevisiae comercial em intervalo de concentração celular desde valor reduzido até próximo ao valor utilizado industrialmente (0,2 a 30 g.L–1); e (vi) utilizar concentração de substrato desde valor reduzido até próximo ao valor utilizado industrialmente (20 a 170 g.L–1).

2.4 Métodos analíticos utilizados

A Tabela 1 mostra os métodos analíticos utilizados nas atividades experimentais realizadas.

Nos ensaios em fermentadores, a determinação da duração do processo é frequentemente realizada a partir do perfil da curva de concentração de etanol. Quando esta concentração atinge o valor máximo, diz-se que o processo foi completado, determinando-se, assim, tf.

Nos ensaios realizados com tubos de ensaio, traça-se um gráfico da diminuição da massa do sistema (Dm) em função do tempo. Essa diminuição de massa é consequência do desprendimento de CO2, quase todo ele produzido na fermentação alcoólica. Terminado o desprendimento de CO2, a massa do sistema continua a diminuir lentamente, como consequência da evaporação de substâncias.

O rendimento da fermentação (η), expresso em porcentagem é dado a seguir. Cumpre lembrar que: a) V é considerado constante durante a fermentação, em que pese o fato de uma pequena diminuição de volume ocorrer durante o processo (BORZANI e PEREGO, 1976; BORZANI, 2003); b) As concentrações de glicose e etanol são medidas na fase aquosa do meio; c) A concentração de etanol intracelular é igual à da fase aquosa (PAMMENT e DASARI, 1988); d) A concentração inicial de etanol é nula; e) A concentração final de glicose é praticamente nula.

η= ⋅

⋅ − σ ⋅ρ

f

0

E 100X0,511 1

(1)

η= ⋅ ⋅

EP

SC

M 1000,511 M

(2)

= ⋅EP fM V E (3)

= ⋅SC 0M Va S (4)

Tabela 1. Métodos analíticos utilizados.Parâmetro Técnica ou método analítico

utilizadoConcentração celular (matéria seca)

Gravimetria (em membranas) (COONEY, 1981)

Consumo de glicose Método do ácido dinitrossalicílico (MILLER, 1959)

Produção de etanol Método do dicromato de potássio (JOSLYN, 1970)

Produção de gás carbônico

Medida de massa



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fermentativos para os ensaios realizados com a presença do condicionador magnético (PCM) e na ausência dele (ACM), ou seja, com a presença ou ausência de campo magnético, cuja quantificação foi feita pela indução magnética de 420 Gauss (denominada de Indução Magnética Máxima – IMM).

O objetivo principal desses ensaios foi o de quantificar a influência do campo magnético produzido pelo indutor magnético sobre o processo biológico em batelada de produção de álcool analisando-se as variáveis monitoradas. Neste sentido, foram realizados experimentos de fermentação alcoólica em tubos de ensaio de modo que a relação entre a intensidade de indução magnética e o volume de meio de cultivo fosse otimizada. Assim, a influência do campo magnético foi interpretada quantificando-se as concentrações de células, de substrato e de etanol no início e no fim do processo em batelada e também a variação de massa do tubo de ensaio (biorreator) ao longo da batelada.

Analisando-se os resultados pode-se concluir que a presença do condicionador magnético, ou seja, a presença de campo magnético pela indução magnética máxima não resultou em diferença significativa em todas as condições estudadas. Dessa forma, esses ensaios não conseguiram demonstrar nenhum benefício do campo magnético sobre o processo biológico de produção de etanol em batelada.

Assim, os ensaios de 1 a 9, nos quais as concentrações iniciais celular e de substrato variaram de 1,1 a 22,3 g.L–1 e de 20,0 a 149,2 (ou 19,9 a 139,1) g.L–1, respectivamente, realizados no intuito de avaliar a influência do campo magnético de baixa intensidade (420 Gauss) em valores de concentrações celular e de substrato desde níveis baixos até níveis próximos

Resultados e discussão3

3.1. Ensaios com tubo de ensaio como biorreator e condicionador magnético

A Tabela 6 apresenta os resultados dos ensaios de 1 a 9 quanto às informações das concentrações iniciais (S0) e finais (Sf) de glicose, concentrações iniciais (X0) e finais (Xf) de célula (expressas em matéria seca), concentração final de etanol (Ef), estimativa do tempo final de fermentação (tf), rendimento na produção de etanol (η), produtividade (Pr) e variação de massa dos tubos de ensaios usados como reatores (Dm) nos processos

Tabela 2. Ensaios realizados com tubo de ensaio e condicionador magnético.Composição do meio

(g.L–1)Ensaio (nº)

1 2 3 4 5 6 7 8 9Glicose 150 150 100 100 50 50 50 20 20Fermento prensado 80 80 80 80 10 10 3 10 3Indução magnética aproximada (Gauss) 420 250 420 250 420 250 420 420 420Obs.: Em todos os ensaios adicionava-se extrato de levedura (2,5 g.L–1), ureia (2,5 g.L–1), KH2PO4 (3,0 g.L–1) e MgSO4.7H2O (0,6 g.L–1).

Tabela 3. Ensaios realizados com tubo de ensaio e ímãs.Composição do meio

(g.L–1)Ensaio (nº)

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19Glicose 180 180 180 180 180 180 180 180 50 50Extrato de levedura 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3Ureia 3 - 3 - 3 - 3 - 3 -KH2PO4 7 - 7 - 7 - 7 - 7 -MgSO4. 7H2O 1,5 - 1,5 - 1,5 - 1,5 - 1,5 -Fermento prensado 100 100 75 75 50 50 20 20 1 1

Tabela 4. Composições para os ensaios com fermentador e condicionador magnético.

Composição do meio (g.L–1)

Ensaio (nº)21 22

Glicose 150 100Extrato de levedura 2,5 2,5Ureia 2,5 2,5KH2PO4 3 3MgSO4 7H2O 0,6 0,6Fermento prensado 80 50

Tabela 5. Composição para os ensaios com fermentador e ímãs.

Composição do meio(g.L–1) Ensaio (nº)23

Glicose 50Fermento prensado 10Extrato de levedura 5,5



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O objetivo principal destes ensaios foi o de quantificar a influência do campo magnético produzido por imãs, analisando o efeito em polo positivo dos ímãs (“+”), em polo negativo (“-”) e na ausência deles (“o”). A justificativa se baseia em testar uma fonte alternativa de campo magnético, uma vez que a etapa anterior não conseguiu quantificar influência de campo magnético produzido por indutor magnético.

Assim, a influência do campo magnético produzido por imãs sobre o processo biológico em batelada de produção de álcool analisando-se as variáveis monitoradas. Neste sentido, da mesma forma que na etapa anterior, foram realizados experimentos de fermentação alcoólica em tubos de ensaio de modo que a relação entre a intensidade de campo magnético e o volume de meio de cultivo fosse otimizada. De modo análogo ao da etapa anterior, a influência do campo magnético foi interpretada quantificando-se as concentrações de células, de substrato e de etanol no início e no fim do processo em batelada e também a variação de massa do tubo de ensaio (biorreator) ao longo da batelada.

Nessa etapa do estudo, alguns ensaios foram realizados em duplicata e em quadriplicata no intuito de verificar a reprodutibilidade do ensaio e quantificar a precisão dos resultados obtidos, que resultaram em desvio padrão menor que 8%. Pode-se concluir, então, que os ensaios realizados utilizando tubos de ensaios como biorreatores de volume reduzido resultaram em dados experimentais confiáveis, a partir dos quais se pode, com segurança, analisar a influência do campo magnético sobre o comportamento do processo biológico de produção de etanol em batelada.

aos utilizados industrialmente, e de modo a maximizar a relação entre campo magnético e volume de meio reacional, não produziram efeito do campo magnético sobre a fermentação alcoólica. Tal constatação é feita com base nas diferenças entre os resultados obtidos na ausência e na presença do campo magnético, os quais expressam o erro experimental geralmente encontrado em ensaios envolvendo processos biológicos. Portanto, diferente dos resultados encontrados por Motta et al. (2001 e 2004), que realizaram ensaios em biorreatores parecidos, mas utilizaram cultura celular pura ao invés de cultura celular comercial e condições experimentais diferentes (temperatura, concentrações e alguns métodos analíticos), não foi possível avaliar a influência do campo magnético, ou seja, o campo magnético não exerceu, dentro do erro experimental dos ensaios, influência significativa nas condições dos ensaios de 1 a 9.

3.2 Ensaios com tubo de ensaio como biorreator e ímãs

A Tabela 7 apresenta os resultados dos ensaios de 10 a 19, contendo informações das concentrações iniciais (S0 e S’0) e finais (Sf) de glicose, concentrações iniciais (X0) e finais (Xf) de célula (expressas em matéria seca), concentração final de etanol (Ef), estimativa do tempo final de fermentação (tf), rendimento na produção de etanol (η), produtividade (Pr) e variação de massa dos tubos de ensaios usados como reatores (Dm) nos processos fermentativos para os ensaios realizados com a presença ou ausência de imãs, ou seja, para os ensaios realizados em polo positivo dos ímãs (“+”), em polo negativo dos ímãs (“-”) e na ausência de ímãs (“o”).

Tabela 6. Resumo dos resultados realizados com tubo de ensaio (biorreator) sem (ACM) e com (PCM) condicionador magnético.

Variáveis Ensaios1 2 3 4 5 6 7 8 9

S0 (g.L–1) 149,2 147,2 87,9 102,6 52,0 51,1 54,5 23,2 20,0X0 (g.L–1) 22,3 22,9 22,8 22,3 3,0 3,2 1,1 3,4 1,1S´0 (g.L–1) 139,1 137,0 81,8 95,7 51,5 50,6 54,3 23,0 19,9Sf (g.L–1) PCM 0,3 0,6 0,2 0,2 0,2 0,3 0,2 0,2 0,2

ACM 0,4 0,7 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2Xf (g.L–1) PCM 32,4 31,9 31,9 30,1 6,5 6,3 4,4 5,2 4,4

ACM 30,5 32,4 32,4 28,3 5,6 7,7 4,9 5,3 4,0Ef (g.L–1) PCM 44,7 45,7 27,4 30,7 16,8 16,6 17,8 7,6 6,4

ACM 45,1 44,9 27,8 31,1 15,6 16,4 16,2 6,8 5,8tf (h) PCM 7,0 6,0 4,0 5,0 10,0 10,0 15,0 6,0 11,0

ACM 7,0 6,0 4,0 5,0 10,0 8,0 13,0 7,0 11,0η (%) PCM 62,9 65,3 65,5 62,8 63,8 64,2 64,1 64,8 62,8

ACM 63,4 64,1 66,5 63,6 59,2 63,4 58,4 58,0 56,9Pr (g.L–1.h–1) PCM 6,4 7,6 6,9 6,1 1,7 1,7 1,2 1,3 0,6

ACM 6,4 7,5 7,0 6,2 1,6 2,1 1,2 1,0 0,5



LOPES, P. et al.


vez, a intensidade de campo magnético, além de outras condições experimentais (cultura celular comercial, temperatura e níveis de concentração celular e de substrato), foi diferente da utilizada por Motta et al. (2001 e 2004).

Assim, optou-se pela realização de ensaios em fermentador no intuito de verificar se a escala do biorreator estava reduzindo a resolução dos resultados.

3.3 Ensaios com fermentador como biorreator e condicionador magnético

A partir dos resultados obtidos na etapa anterior, realizaram-se ensaios utilizando fermentadores e não mais tubos de ensaios como biorreatores, no intuito de avaliar a influência de campos magnéticos sobre a fermentação alcoólica em batelada.

Os ensaios foram realizados utilizando-se dois biorreatores, cuja mistura do meio reacional, em um deles, foi conseguida pela presença de agitador mecânico e, no outro biorreator, a mistura foi conseguida pela presença de agitador mecânico e da recirculação externa da fase líquida. Tais sistemas de mistura, conforme resultados experimentais, fornecem o mesmo estado de agitação (Ensaio 20, cujos resultados não são apresentados).

Assim, no reator com agitação mecânica não foi utilizado o condicionador magnético, ou seja, os resultados obtidos nesse fermentador referem-se à condição na ausência de campo magnético denominada

Analisando-se os resultados dos ensaios de 10 a 19 mostrados na Tabela 7 que contêm os valores monitorados no início e no fim da batelada e os perfis da variação de massa do tubo de ensaio (biorreator) ao longo da batelada, pode-se concluir novamente que a presença do campo magnético, desta vez produzido por imãs e considerando-se ainda o polo positivo e o negativo, não resultou em diferença significativa em todas as condições estudadas.

Dessa forma, de modo semelhante aos ensaios anteriores, os ensaios de 10 a 19, nos quais as concentrações iniciais celular e de substrato variaram de 0,2 a 27,5 g.L–1 e de 47,6 a 169,7 (ou 47,6 a 155,6) g.L–1, respectivamente, realizados no intuito de avaliar a influência do campo magnético de alta intensidade (5000 Gauss) em valores de concentrações celular e de substrato desde níveis baixos até níveis próximos aos utilizados industrialmente, e de modo a maximizar a relação entre campo magnético e volume de meio reacional, não produziram efeito do campo magnético sobre a fermentação alcoólica, considerando de modo separado os polos positivo e negativo (campos divergentes). As diferenças entre os resultados obtidos na ausência e na presença do campo magnético expressam mais uma vez o erro experimental geralmente encontrado em ensaios envolvendo processos biológicos. Portanto, complementando os ensaios de 1 a 9, não foi possível avaliar a influência do campo magnético dentro do erro experimental dos ensaios. Vale destacar que, desta

Tabela 7. Resumo dos resultados realizados com tubo de ensaio (biorreator) sem (“o”) e com (“+” e “-“) ímãs.Variáveis Ensaios

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19S0 (g. L–1 ) 169,7 168,3 169,7 175,2 172,4 172,4 170,4 177,9 52,5 47,6X0 (g. L–1 ) 27,5 29,4 22,8 22,2 15,6 15,0 6,0 6,3 0,3 0,2S´0 (g. L–1 ) 155,6 153,3 158,0 163,4 164,3 164,6 167,3 174,5 52,5 47,6Sf (g. L–1 ) “ + “ 0,7 0,6 0,7 0,7 0,7 1,0 0,7 0,7 0,3 0,4

“ - “ 0,7 0,7 0,8 0,8 0,8 3,4 0,7 0,7 0,3 0,9“ o “ 0,7 0,7 0,8 2,3 0,8 1,4 0,8 1,0 1,6 1,5

Xf (g. L–1 ) “ + “ 38,0 44,0 35,4 36,5 26,3 26,5 13,3 12,0 2,8 2,9“ - “ 39,2 41,6 32,3 34,7 25,7 26,3 14,0 13,2 2,7 3,0“ o “ 38,8 44,7 34,6 35,5 27,1 26,5 16,1 13,6 3,3 2,9

Ef (g. L–1 ) “ + “ 65,3 64,8 66,3 68,2 69,4 69,3 74,9 75,6 19,4 20,2“ - “ 65,3 64,8 65,9 66,7 68,7 68,9 72,2 74,8 20,2 19,8“ o “ 65,0 64,4 66,7 66,3 68,7 68,5 72,9 70,9 19,0 19,8

tf (h) “ + “ 5,0 5,0 6,5 7,5 7,5 10,5 12,0 23,0 16,5 -“ - “ 4,5 5,5 5,5 7,0 7,5 10,5 13,0 20,0 16,5 -“ o “ 4,5 6,5 6,5 7,5 8,0 10,5 13,0 20,0 - -

η (%) “ + “ 82,1 82,7 82,1 81,7 82,7 82,4 87,6 84,8 72,4 83,1“ - “ 82,1 82,7 81,6 79,9 81,9 81,9 84,5 83,9 75,4 81,5“ o “ 81,8 82,2 82,6 79,4 81,9 81,5 85,3 79,5 70,9 81,5

Pr (g.L–1.h–1) “ + “ 13,1 13,0 10,2 9,1 9,3 6,6 6,2 3,3 1,2 -“ - “ 14,5 11,8 12,0 9,5 9,2 6,6 5,6 3,7 1,2 -“ o “ 14,4 9,9 10,3 8,8 8,6 6,5 5,6 3,5 - -



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alcoólica em batelada, dentro do erro experimental normalmente encontrado em processos biológicos. Vale ressaltar que estes ensaios foram realizados de modo parecido com o trabalho de Perez et al. (2007), com relação à recirculação de meio líquido e intensidade de campo magnético, diferindo mais uma vez pela escolha de cultura celular comercial ao invés de cultura pura e nos níveis de concentrações iniciais celular e de substrato, sendo esse melaço ao invés de glicose.

Assim, optou-se pela realização de ensaios em fermentador com o uso de imãs no lugar do condicionador magnético no intuito de complementar os ensaios de modo análogo ao biorreator tubo de ensaio.

3.4 Ensaio com fermentador como biorreator e ímãs

A última etapa do estudo foi realizada utilizando-se novamente os biorreatores com agitação mecânica e com recirculação da fase líquida, pelos quais foi realizado o ensaio 23 sem a presença de campo magnético no biorreator com agitação mecânica e com a presença de campo magnético no biorreator com recirculação

de “ACM”. Por outro lado, no reator com recirculação da fase líquida, foi utilizado o condicionador magnético inserido no sistema pela tubulação de recirculação, ou seja, a atuação do condicionador magnético sobre o meio reacional se fez na passagem externa do meio líquido durante a recirculação da base até o topo do biorreator. Portanto, os resultados obtidos nesse fermentador referem-se à condição na presença de campo magnético denominada de “PCM”.

No intuito de verificar a influência da presença do campo magnético em uma condição experimental diferente, ou seja, no ensaio 21, foi utilizada uma concentração inicial de substrato de 150 g.L–1 e uma concentração inicial de células (em base de matéria úmida) de 80 g.L–1 e, no ensaio 22, foi utilizada uma concentração inicial de substrato de 100 g.L–1 e uma concentração inicial de células (em base de matéria úmida) de 50 g.L–1. Dessa forma, a quantificação das variáveis monitoradas foi realizada em duas condições iniciais distintas no intuito de melhor explorar o estudo da influência do campo magnético.

A Tabela 8 apresenta o resumo dos resultados dos ensaios 21 e 22, e as Figuras 8 e 9 mostram os resultados dos perfis da concentração de glicose (S), concentração de célula (X) representada em matéria seca e concentração de etanol durante todo o processo fermentativo de produção de etanol em batelada para os ensaios realizados com a presença do condicionador magnético (PCM) e na ausência dele (ACM).

Dessa forma, analisando-se os resultados dos ensaios 21 e 22 (Tabela 8 e Figuras 8 e 9) pode-se concluir que a utilização de campo magnético de baixa intensidade (420 Gauss) em fermentador de 7,5 L com recirculação externa da fase líquida no intuito de otimizar o contato entre campo magnético e meio reacional, utilizando concentrações iniciais celular de 13 e 22 g.L–1 e de substrato de 96 e 155 g.L–1 (valores médios – Tabela 8), ou seja, valores próximos aos utilizados industrialmente, mais uma vez não produziu influência na fermentação

Tabela 8. Resumo dos resultados dos ensaios com fermentador (biorreator) sem (ACM) e com (PCM) condicionador magnético.

Ensaio 21 22Variáveis PCM ACM PCM ACM

S0 (g.L–1) 154,6 154,6 96,0 95,3X0 (g.L–1) 21,9 22,2 13,4 13,0S´0 (g.L–1) 144,3 144,2 92,1 91,5Sf (g.L–1) 0,7 0,7 0,5 0,3Xf (g.L–1) 32,0 32,8 21,4 20,5Ef (g.L–1) 58,7 57,2 37,1 36,1tf (h) 4,0 4,0 3,0 3,0η (%) 79,6 77,6 78,8 76,7Pr (g.L–1.h–1) 14,7 14,3 12,4 10,3

Figura 8. Perfis da concentração celular (X) em função do tempo (t) nos ensaios nº 21 (a) e nº 22 (b) com diferentes concentrações iniciais de células (X0) e de substrato (S0) em fermentador sem (ACM) e com (PCM) a presença do condicionador magnético.



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vez utilizando imãs como fonte de geração, sobre a fermentação alcoólica em batelada.

A justificativa para tentar explicar uma possível razão pela qual o campo magnético não exerceu efeito sobre a fermentação alcoólica em batelada nas condições experimentais estudadas neste trabalho deve recorrer primeiro às hipóteses que procuram

da fase líquida. Nessa etapa, o campo magnético foi gerado pela presença de imãs no mesmo local onde, no ensaio anterior, foi inserido o indutor magnético, ou seja, na passagem do meio reacional da base para o topo do biorreator.

Assim, a Tabela 9 apresenta o resumo dos resultados do ensaio 23 e a Figura 10 mostra os resultados dos perfis da concentração de glicose (S), concentrações de célula (X) representadas em matéria seca e a concentração de etanol (P) durante todo o processo fermentativo, para os ensaios realizados com a presença de ímãs, denominados de “PI”, e na ausência de imãs, denominados de “AI”.

Dessa forma, analisando-se os resultados obtidos com o uso de campo magnético de intensidade de 5000 Gauss e fermentador com recirculação externa da fase líquida, no intuito de otimizar o contato entre o campo magnético (produzido por imãs) e o meio líquido, com concentrações iniciais celular e de substrato de 3 g.L–1 e 43,3-46,0 (ou 42,9-45,6) g.L–1, respectivamente, sem a presença de nutrientes, pode-se mais uma vez concluir que, dentro do erro experimental normalmente encontrado em ensaios com processos biológicos, não foi possível detectar nenhuma influência do campo magnético, dessa

Figura 9. Perfis da concentração de glicose (S) e etanol (P) em função do tempo (t) nos ensaios nº 21 (a) e nº 22 (b) com diferentes concentrações iniciais de células (X0) e de substrato (S0) em fermentador sem (ACM) e com (PCM) a presença do condicionador magnético.

Tabela 9. Resumo dos resultados do ensaio 23 em fermentador, programado com ausência de nutrientes, S0= 50 g.L–1, X0= 10 g.L–1 (matéria úmida), sem (AI) e com (PI) a presença de imãs.

Parâmetros PI AIS0 (g.L–1) 43,3 46,0X0 (g.L–1) 3,0 3,0S´0 (g.L–1) 42,9 45,6Sf (g.L–1) 0,3 0,3Xf (g.L–1) 7,4 7,6Ef (g.L–1) 19,4 19,7tf (h) 6,0 6,0η (%) 88,5 84,6Pr (g.L–1.h–1) 3,2 3,3



LOPES, P. et al.


fermentação e o campo magnético, ou seja, propor configurações de biorreatores que promovam esse contato eficiente e com tempo de residência significativo, de modo a permitir que o campo magnético tenha tempo de influenciar de alguma forma o meio reacional. Além disso, a melhor magnitude de campo magnético ainda deve ser mais bem investigada.

Conclusões4

A análise dos resultados obtidos no estudo da influência de campo magnético sobre a fermentação alcoólica em modo descontínuo (batelada), utilizando-se diferentes formas de geração de campo magnético (condicionador magnético e pares de imãs) e de biorreator (tubo de ensaio e fermentador), avaliando-se ainda diferentes condições iniciais referentes à concentração de inóculo (Saccharomyces cerevisiae comercial) e à concentração de substrato (glicose PA), permitiu a obtenção das seguintes conclusões:

• Nos ensaios realizados utilizando-se tubo deensaio como biorreator e com o condicionador magnético, foi verificado que a presença de campo magnético pela indução magnética máxima não resultou em diferença em todas as condições estudadas;

O tempo final de fermentação foi aproximadamente coincidente, nas condições com e sem a presença de campo magnético, o que explica a pequena variação da produtividade nas diferentes condições dos ensaios realizados.

• Da mesma forma que na etapa anterior,pode-se concluir novamente que a presença de indução magnética mais intensa e com maior estabilidade, desta vez produzida por pares de ímãs e considerando-se ainda o polo positivo e o negativo, não resultou em diferença em todas as condições estudadas;

A análise dos parâmetros de rendimento e produtividade não permitiu a conclusão de algum benefício do campo magnético sobre o processo biológico de produção de etanol em batelada.

• Nosensaiosrealizadosutilizando-sefermentadorcomo biorreator e o condicionador magnético, os rendimentos não se apresentaram diferentes, embora um l igeiro acréscimo tenha sido observado na condição em que era utilizada a presença do campo magnético. Porém, os ensaios apresentaram o mesmo tempo final de fermentação e resultaram na pequena variação da produtividade;

• Por fim, no ensaio utilizando-se fermentadorcomo biorreator e pares de ímãs, os resultados se apresentaram semelhantes aos da etapa

explicar tal efeito. Segundo Perez et al. (2007), o efeito do campo magnético pode ser justificado pela potencial influência sobre as membranas celulares que altera a permeabilidade à passagem de nutrientes e aumenta o transporte de substrato ao interior da célula, resultando em maior produção de etanol. Outra hipótese se baseia na capacidade do campo magnético influenciar as enzimas presentes no microrganismo responsável pelo processo de modo a conferir uma conformação mais apropriada para a reação do substrato e outros compostos; não obstante, tais hipóteses ainda não podem ser completamente elucidadas. Com o desenvolvimento deste trabalho, acredita-se que o maior desafio está em fazer uma melhoria do contato entre o meio em

Figura 10. Concentração celular (X), de glicose (S) e de etanol (P) em função do tempo (t) no ensaio 23 em fermentador, programado com a ausência de nutrientes, e concentração inicial de substrato (S0) de 50 g.L–1 e de células (X0) de 10 g.L–1 (matéria úmida), sem (AI) e com (PI) a presença de imãs.



LOPES, P. et al.


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anterior. Os rendimentos nos ensaios em que foi utilizado campo magnético não foram diferentes, apresentando o mesmo tempo final de fermentação e, consequentemente, produtividades análogas; e

• Dessaforma,deummodogeral,considerando-seo método utilizado neste estudo (gerador de campo magnético e tipo de biorreator), os resultados não evidenciam a detecção de alguma influência na utilização do campo magnético na fermentação alcoólica em modo descontínuo (batelada), utilizando-se glicose e fermento de panificação comercial como substrato e inóculo, respectivamente, e nas condições experimentais planejadas (concentrações iniciais de substrato e inóculo).

Agradecimentos

Este trabalho contou com o apoio financeiro da CAPES (Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ensino Superior).

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