: Kinetic modelling and process simulation of fructooligosaccharides production by free and immobilized fructosyltransferase of Rhodotorula sp

Resumo: Os frutooligossacarídeos são considerados prebióticos, uma vez que promovem seletivamente o crescimento de micro-organismos probióticos como Lactobacillus acidophillus e Bifidobacterium bifidus. Novas enzimas, na forma livre ou imobilizada, representam uma das possibilidades para síntese destes compostos. Neste trabalho procedeu-se ao estudo da modelagem cinética e simulação da síntese de frutooligossacarídeos a partir de sacarose em diferentes tipos de reatores, pela enzima frutosiltransferase produzida pela levedura do gênero Rhodotorula, isolada em trabalhos prévios. Os estudos foram realizados sob condições de pH 4,5, 50°C e 5 UTF/mL de concentração da enzima. Tanto a enzima livre quanto a imobilizada mostraram seguir a cinética de Michaelis-Menten com inibição pelo substrato para concentrações acima de 70% e 60% (p/v), respectivamente. Observou-se inibição competitiva da glicose para os substratos sacarose, kestose e nistose. Por outro lado, considerou-se significativa a atividade hidrolítica da nistose, sendo incluída no modelo. Após a análise de sensibilidade dos parâmetros cinéticos, estes foram ajustados por simulação, e determinou-se seus valores intrínsecos. O modelo mostrou-se válido com desvios menores que 4% para a enzima livre (57% de FOS) e de 5% para enzima imobilizada (46% de FOS), indicando que ele pode ser utilizado no desenvolvimento e controle de biorreatores. No caso da enzima imobilizada incluiu-se no balanço de massa o efeito da resistência à transferência de massa externa. Devido ao suporte ser um sólido compacto, com porosidade interna desprezível, desprezou-se a difusão intraparticular, considerando-se que a imobilização da enzima foi somente na superfície da partícula. A otimização do processo em reator de cesto em batelada, tanto quanto na do reator de cesto contínuo, foi realizada segundo delineamentos do tipo composto central rotacional (DCCR), nas condições de 50% de sacarose, 50?C e pH 4,5. As condições ótimas para o processo em batelada, foram de 14 Ui/mL para a enzima imobilizada e 45 rpm para a agitação, sendo o rendimento de FOS igual a 50,60% após 24 horas de síntese. Para o reator de cesto contínuo as variáveis otimizadas foram de 15 Ui/mL para a enzima imobilizada e 45 rpm para a agitação, com rendimentos de FOS de 32,1% e produtividade de 5,0 g?L.h, com tempo de residência de 32 h. Neste último caso, o componente principal de FOS foi o GF4 (25%). Os resultados mostraram que a atividade biocatalítica e o coeficiente de transferência de massa tiveram influência significativa no curso da reação e no rendimento de produção de FOS e que o melhor processo foi o de batelada em reator de cestoAbstract: Fructooligosaccharides (FOS) are considered prebiotics, since selectively promote the growth of microorganisms as probiotic Lactobacillus and Bifidobacterium bifidus acidophillus. New enzymes, in its free or immobilized form, represent one of the possibilities for this development. In this work, the kinetic modeling and simulation of the synthesis of FOS from sucrose in different types of reactors were carried out. The enzyme utilized was the fructosyltransferase from Rhodotorula sp., a microorganism isolated in a previous study. The studies were performed under conditions of pH 4.5, 50°C and 5 UFT/mL concentration of enzyme. Both free and immobilized enzymes showed the Michaelis-Menten kinetics with substrate inhibition, at concentrations above 70% and 60% (w/v), respectively. Additionally, it was shown that there is competitive inhibition of glucose over sucrose, kestose and nystose uptake. Moreover, the hydrolytic activity on nystose was considered significant, therefore, it was included in the model. After the parameter sensitivity analysis the intrinsic kinetic parameters were determined and the model was validated against experimental data for sucrose concentrations of 50 and 70%. The model proved to be valid with deviations of less than 4% for the free enzyme (57% FOS) and 5% for immobilized enzyme (46% FOS), indicating that it can be used in the development and control of bioreactors. The enzyme immobilization was by adsoption on the surface of a niobium ore, which is a compact solid with negligible internal porosity. For the batch and continuous basket reactor processes, the optimization experiments were simulated in two central composite rotatable designs (DCCR), using 50% of sucrose concentration, 50?C and pH 4.5. The optimum conditions for the batch reactor were: 14 Ui/mL for the activity of immobilized enzyme and agitation speed of 45 rpm, with yield of 50.60% of FOS, after 24 hours of synthesis. For the continuous basket reactor, the optimum conditions were: an activity of immobilized enzyme of 15 Ui/mL and an agitation speed of 45 rpm, performing a FOS yield of approximately 32.1% and produtivity of 5.0 g?L.h, with a residence time of 32 h. In the latter case of the main FOS fraction was the GF4, with about 25% of the total, a result very different from those obtained with other types of reactors. The results showed that the immobilized enzyme activity and the coefficient of mass transfer had a significant influence on the course of the reaction and the yield of FOS and that the best process for FOS production is the batch basket reacto