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Title in Portuguese: Otimização da produção de ácido lático por Lactobacillus casei NRRL B-442 em suco de caju clarificado
Title: Optimization of lactic acid production by Lactobacillus casei NRRL B-442 in cashew clarified juice
Author: Guilherme, Alexandre de Araújo
Advisor(s): Fernandes, Fabiano André Narciso
Co-advisor(s): Rodrigues, Sueli
Keywords: Engenharia química
Caju
Bactérias produtoras de ácido lático
Estudo cinético
Otimização
Issue Date: 21-Aug-2009
Citation: GUILHERME, A. A. Otimização da produção de ácido lático por Lactobacillus casei NRRL B-442 em suco de caju clarificado. 118 f. 2009. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009.
Abstract in Portuguese: O ácido lático é um composto com diversas aplicações industriais, dos quais as indústrias química, farmacêutica, de alimentos, de polímeros, têxtil e de curtume podem ser citadas além de ser reconhecido como seguro pela Food and Drug Administration (FDA). Tem se tornado um importante monômero na indústria de plásticos, sendo polimerizado em plástico biodegradável. Pode ser obtido industrialmente através de síntese química ou processo fermentativo. No entanto, é mais comumente produzido via processo fermentativo através de matérias-primas renováveis e resíduos da agroindústria. O pedúnculo do caju possui um alto valor nutricional em termos de vitaminas, sais minerais e açúcares e estima-se que 88% de sua produção seja perdida devido sua alta perecibilidade sendo, portanto, um substrato em potencial para processos fermentativos. O objetivo deste trabalho foi a otimização da produção de ácido lático via fermentação submersa em meio contendo suco de caju clarificado como substrato utilizando o Lactobacillus casei NRRL B-442. A partir de dados experimentais sobre temperatura, pH, concentrações de substrato e sulfato de amônia inicial, foi realizado um estudo cinético variando concentrações de substrato inicial de 20 a 60 g/L e mantendo a proporção ideal de 12% de sulfato de amônio em relação aos açúcares redutores totais iniciais. Os ensaios foram realizados em reator batelada CSTR de 1,0 L com 0,5 L de meio reacional. A temperatura foi de 37°C e o pH foi ajustado para 6,5 sendo controlado durante o processo. A partir dos dados experimentais, um modelo fenomenológico foi desenvolvido e um programa computacional foi criado utilizando Linguagem Fortran 90. O modelo foi validado estatisticamente segundo o valor de F de Fisher. Com o modelo representativo do sistema, foi possível realizar otimizações em batelada e batelada alimentada para a fermentação lática. Os processos em batelada e batelada alimentada foram comparados entre si levando em consideração a eficiência final, a produção de ácido lático e os custos com matéria-prima e reagentes utilizados comparando com os custos de venda final do ácido lático no mercado. Para a otimização em batelada, pôde-se verificar que a fermentação que apresentou melhores resultados foi a que partiu de um inóculo com 0,3 g/L e concentração de açúcares redutores totais iniciais de 50 g/L finalizando o processo com 39,31 g/L de ácido lático e apresentando uma eficiência de 72,2%. Em relação ao processo em batelada alimentada, conclui-se que a simulação que apresentou melhores resultados foi a que partiu de um inóculo de 0,3 g/L com 40 g/L de açúcares redutores totais iniciais, uma vazão de 3 L/h e uma concentração de suco de caju clarificado concentrado alimentado de 200 g/L obtendo 38,0 g/L de ácido lático e uma eficiência de 63,8%. Portanto, para a fermentação lática utilizando o Lactobacillus casei NRRL B-442 tendo o suco e caju clarificado como substrato, o processo em batelada foi o mais vantajoso
Abstract: Lactic acid is a compound that has several industrial applications in the chemical, pharmaceutical, food, polymer, textile and tanning industries. In addition, lactic acid has being recognized as safe by the Food and Drug Administration (FDA). Lactic acid has become an important monomer in the plastic industry where it has been polymerized into biodegradable plastics. It can be obtained industrially by chemical synthesis or fermentation process. It is most commonly produced by fermentation process using raw materials and waste materials of agricultural source. Cashew apple has a high nutritional value in terms of vitamins, minerals and sugars and it is estimated that 88% of its production is lost due the high spoilage, thus it has great potential as substrate in fermentative processes. This work aimed to optimize lactic acid production by submerged fermentation in a medium containing clarified cashew apple juice as substrate using the Lactobacillus casei NRRL B-442. From available information in the literature regarding temperature, pH, initial concentrations of substrate and initial ammonium sulfate, a kinetic study was carried out changing the initial concentration of substrate from 20 to 60 g/L and maintaining the ideal ratio of 12% of ammonium sulfate in relation of the initial total reducing sugars. The experiments were carried out in a batch reactor of 1.0 L with 0.5 L of reaction medium. The temperature was set at 37 °C and the pH was adjusted to 6.5 and controlled during the process. From the experimental data, a phenomenological model was developed and a computer program was built in Fortran 90. The mathematical model was statistically validated according to the F value of the Fisher test. With the representative model of the reaction system, it was possible to accomplish optimizations in batch and fed-batch fermentation for lactic acid production. The results in batch and fed-batch were compared, in relation to the final efficiency of the system, lactic acid production and costs of raw materials and reagents, with the costs of the final price of the lactic acid in the market. For the optimization in batch reaction, it was found that the fermentation which had the best results was obtained from an inoculum of 0.3 g/L and a initial concentration of total reducing sugars of 50 g/L, resulting in the production of 39.31 g/L of lactic acid and an efficiency of 72.2%. Regarding the fed-batch process, the simulations showed that the best results was obtained from an inoculum of 0.3 g/L with 40 g/L of initial total reducing sugars, with a feed of clarified cashew apple juice at flow rate of 3 L/h and a concentration of 200 g/L, resulting in the production of 38.0 g/L of lactic acid concentration and an efficiency of 63.8%. Therefore, for lactic fermentation using Lactobacillus casei NRRL B-442 and the clarified cashew juice as substrate and the conditions studied in this work, the process in batch was the most advantageous
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/15751
metadata.dc.type: Dissertação
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