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https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/2424
Tipo do documento: | Dissertação |
Título: | Síntese, modelagem, simulação e análise técnica-econômica de uma planta de produção de biocatalisadores heterogêneos para obtenção de fruto-oligossacarídeos |
Autor: | SILVA, Guilherme Ferreira da |
Primeiro orientador: | PERNA, Rafael Firmani |
Primeiro coorientador: | OLIVEIRA, Andreza Aparecida Longati de |
Primeiro membro da banca: | ELIAS, Andrew Milli |
Segundo membro da banca: | ROLEMBERG, Marlus Pinheiro |
Resumo: | Os fruto-oligossacarídeos (FOS) são açúcares prebióticos de baixa caloria que promovem uma série de benefícios à saúde e nutrição humana e animal. Podem ser produzidos pela reação de transfrutosilação em moléculas de sacarose, catalisada por enzimas frutosiltransferases (FTase E.C.2.4.1.9) aderidas às células microbianas. O uso da enzima solúvel na produção de FOS pode causar instabilidade na estrutura tridimensional quando isolado do seu ambiente natural e possível perda de atividade devido às condições do processo ou inibição pelo substrato e/ou produto. Com isso a imobilização de células em materiais de suporte permite obter biocatalisadores heterogêneos robustos com elevada atividade, especificidade e seletividade, ao passo que a reticulação das células imobilizadas permite produzi-los com maior estabilidade operacional, possibilitando a aplicação em sistemas reacionais contínuos. As esponjas de poliuretano (EPU) são suportes indicados para a imobilização de células por apresentarem estabilidades térmica e mecânica, além de tamanho e distribuição de poros que possibilitam a difusão gasosa e de substrato, essenciais para o crescimento microbiano. Neste contexto, propõe-se realizar a síntese, modelagem, simulação, análise técnica-econômica (ATE) e de sensibilidade de uma planta de produção de biocatalisadores heterogêneos visando a síntese de FOS a partir de células de Aspergillus oryzae IPT-301, com atividade de transfrutosilação, imobilizadas em cubos de EPU. As simulações foram realizadas no software EMSO para os cenários envolvendo células imobilizadas e reticuladas em EPU (Cenário A) e apenas para células imobilizadas em EPU (Cenário B) mediante o processamento de 4,5 kg/h de sacarose VHP (Very High Polarization) utilizada como substrato. No cenário A foram obtidos 2,776 kg/h do biocatalisador heterogêneo com gasto energético de 6,298 kW, enquanto no cenário B foram produzidos 2,789 kg/h do biocatalisador com gasto energético de 6,167 kW. Para ambos os cenários, obteve-se uma produtividade de 2,812 kg/m3 .h do biocatalisador heterogêneo. Os processos apresentaram elevados custos de produção, acarretando um preço mínimo de venda maior que o valor proposto de 420 US$/kg para o cenário A (437,285 US$/kg) e 210 US$/kg para o cenário B (376,296 US$/kg). Além disso, ambos os cenários obtiveram um VPL negativo, tornando os processos inviáveis do ponto de vista econômico. Nas análises de sensibilidade, constatou-se que o cenário B necessita de uma grande alteração no preço de venda para ser economicamente viável. Entretanto, pequenas alterações nas variáveis do cenário A possibilitam tornar o processo viável, visto que as células imobilizadas e reticuladas em EPU apresentam maior atividade enzimática e, portanto, impactam positivamente no aumento da produção de FOS. |
Abstract: | Fructooligosaccharides (FOS) are low-calorie prebiotic sugars that promote a series of benefits to human and animal health and nutrition. They can be produced by the occurrence of transfructosylation in sucrose molecules, catalyzed by fructosyltransferase enzymes (FTase E.C.2.4.1.9) adhered to microbial cells. The immobilization of cells on support materials allows to obtain robust heterogeneous biocatalysts with high activity, specificity and selectivity, while the cross-linking of immobilized cells allows them to be produced with greater operational stability, enabling their application in continuous reaction systems. Polyurethane sponges (EPU) are suitable supports for cell immobilization as they have thermal and mechanical stability, in addition to the size and distribution of pores that enable gaseous and substrate diffusion, essential for microbial growth. One of the main challenges encountered when implementing a biocatalyst production plant, aiming to synthesize FOS in Brazil, is related to its production stage. Therefore, the use of immobilized microbial cells, with enzymatic activity, can become a feasible alternative for industrial application. In this context, it is proposed to carry out the synthesis, modeling, simulation, technical-economic analysis (TEA) and sensitivity of a heterogeneous biocatalyst production plant aiming at the synthesis of FOS from Aspergillus oryzae IPT-301 cells, with activity of transfructosylation, immobilized in EPU cubes. The simulations were carried out in the EMSO software for scenarios involving cells immobilized and cross-linked in EPU (Scenario A) and only for cells immobilized in EPU (Scenario B) through the processing of 4.5 kg/h of VHP (Very High Polarization) sucrose. used as substrate. In scenario A, 2.776 kg/h of the heterogeneous biocatalyst were obtained with an energy expenditure of 6.298 kW, while in scenario B 2.789 kg/h of the biocatalyst were produced with an energy expenditure of 6.167 kW. For both scenarios, a productivity of 2.812 kg/m3.h of the heterogeneous biocatalyst was obtained. The processes presented high production costs, resulting in a minimum sales price higher than the proposed value of 420 US$/kg for scenario A (437,285 US$/kg) and 210 US$/kg for scenario B (376,296 US$ /kg). Furthermore, both scenarios had a negative NPV, making the processes unfeasible from an economic point of view. In sensitivity analyses, it was found that scenario B requires a large change in the sales price to be economically viable. However, small changes in the variables of scenario A make it possible to make the process viable, since the cells immobilized and cross-linked in EPU have greater enzymatic activity and, therefore, have a positive impact on the increase in FOS production. |
Palavras-chave: | análise técnica-econômica. frutosiltransferase. Aspergillus oryzae. modelagem e simulação. fruto-oligossacarídeos. |
Área(s) do CNPq: | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade Federal de Alfenas |
Sigla da instituição: | UNIFAL-MG |
Departamento: | Instituto de Ciência e Tecnologia |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química |
Citação: | SILVA, Guilherme Ferreira da. Síntese, modelagem, simulação e análise técnica-econômica de uma planta de produção de biocatalisadores heterogêneos para obtenção de fruto-oligossacarídeos. 2023. 113 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, MG, 2023. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/2424 |
Data de defesa: | 8-Dez-2023 |
Aparece nas coleções: | Mestrado |
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Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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