Optimization of industrial fermentative parameters of Bradyrhizobium japonicum for agricultural inoculant production

Autor: Candeo, Esteffany de Souza
Přispěvatelé: Sydney, Eduardo Bittencourt, Pasqualini, Ana Paula de Azevedo, Anschau, Andreia, Karp, Susan Grace Karp
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
Popis: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O aumento da população mundial demanda por uma maior produção agrícola, por isso a expansão das práticas que auxiliam no incremento de produtividade vegetal é necessária. Nesse sentido, a aplicação de inoculantes agrícolas em commodities garante efeitos promotores de crescimento, como é o caso da fixação biológica de nitrogênio na soja (Glycine max L.) por microrganismos da espécie Bradyrhizobium japonicum. O presente estudo objetiva a otimização de parâmetros fermentativos industriais para a produção comercial de B. japonicum na indústria Fertibio do Brasil Ltda (Ponta Grossa, PR). Inicialmente, procedeu-se uma análise da rotina de trabalho empregada no processo produtivo industrial a fim de conhecer o processo e identificar possíveis pontos críticos. A partir do diagnóstico realizado, melhorias de trabalho e processo foram sugeridas e implementadas na indústria de modo a padronizar a produção comercial. Então realizou-se a otimização da concentração celular start de B. japonicum SEMIA 5079 e SEMIA 5080 em escala de laboratório (0,25 L). Foram testadas as concentrações celulares de 2,65 107, 8,15 107, 2,00 108 e 3,96 108 células mL-1 em meio de cultura Fertibio [marca registrada]. O cultivo das estirpes ocorreu em incubadora tipo shaker durante 5 dias. Os resultados de velocidade específica máxima de crescimento (µMÁX) e tempo de geração (G) obtidos foram submetidos a análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey. A concentração celular start de 2,65 107 células mL-1 maximizou os parâmetros fermentativos avaliados. Tal condição otimizada foi validada em escala de laboratório (9 L), escala piloto (300 L) e escala industrial (1200 L) em meio de cultura Fertibio [marca registrada]. Durante o processo produtivo, obteve-se valor médio de µMÁX de 0,0450 h-1 e G 16,5132 h, acarretando crescimento celular médio de 3,3378109 células mL-1 após 74 horas de fermentação. De modo a identificar possíveis melhorias de processo relacionadas ao escalonamento dos cultivos, foram avaliados os projetos de dois biorreatores da escala piloto e industrial. O estudo da geometria dos biorreatores identificou equivalência de 75% com relação a velocidade terminal no impelidor (Vtip), 87% com relação ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLa) e 95% com relação ao tempo de mistura (Tm) dos biorreatores. Modificações no projeto dos biorreatores e nas condições de operação foram identificadas e apontadas como possibilidades de estudos futuros. Os resultados obtidos permitiram otimizar as condições de processo, a concentração celular start de B. japonicum SEMIA 5079 e SEMIA 5080 do scale-up e o estudo do projeto de biorreatores, propiciando a maximização dos parâmetros fermentativos estudados, bem como o controle do desenvolvimento da fermentação. Além disso, o estudo resultou em ganhos qualitativos significativos que promovendo economia e produtividade na indústria Fertibio do Brasil. The increase in the world population demands greater agricultural production, which is why the expansion of practices that help to increase plant productivity is necessary. In this sense, the application of agricultural inoculants in commodities guarantees growth-promoting effects, as is the case with biological nitrogen fixation in soybeans (Glycine max L.) by microorganisms of the species Bradyrhizobium japonicum. This study aims to optimize industrial fermentative parameters for the commercial production of B. japonicum in the Fertibio do Brasil Ltda industry (Ponta Grossa, PR). Initially, an analysis of the work routine employed in the industrial production process was carried out in order to know the process and identify possible critical points. From the diagnosis made, work and process improvements were suggested and implemented in the industry in order to standardize commercial production. Then the optimization of the cell concentration starts of B. japonicum SEMIA 5079 and SEMIA 5080 was performed on a laboratory scale (0.25 L), the cell concentrations of 2.65 107, 8.15107, 2.00 108 and 3.96 108 cells mL-1 were tested in Fertibio [trade mark] culture medium. Strains were cultivated in a shaker-type incubator for 5 days. The results of maximum specific growth speed (µMÁX) and generation time (G) obtained were subjected to analysis of variance (ANOVA) and Tukey's test. The start cell concentration of 2.65 107 cells mL-1 maximizing the fermentative parameters evaluated. This optimized condition was validated on a laboratory scale (9 L), pilot scale (300 L) and industrial scale (1200 L) in Fertibio [trade mark] culture medium. During the production process, an average value of µMÁX of 0.0450 h-1 and G 16.5132 h was obtained, resulting in an average cell growth of 3.3378 109 cells mL-1 after 74 hours of fermentation. In order to identify possible process improvements related to crop scheduling, the designs of two pilot and industrial scale bioreactors were evaluated. The study of the geometry of the bioreactors identified 75% equivalence in relation to the impeller tip speed (Vtip), 87% in relation to the volumetric oxygen transfer coefficient (KLa) and 95% in relation to the mixing time (Tm) of the bioreactors. Changes in the design of the bioreactors and in the operating conditions were identified and pointed out as possibilities for future studies. The results obtained allowed to optimize the process conditions, the cell start concentration of B. japonicum SEMIA 5079 and SEMIA 5080 of the scale-up and the study of the bioreactors project, providing the maximization of the studied fermentative parameters, as well as the control of the development of the bioreactor fermentation. In addition, the study resulted in significant qualitative gains that promote economy and productivity in the Fertibio do Brasil industry.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: