Desenvolvimento de uma plataforma integrada de modelagem, estimação e controle para bioprocessos buscando a modularidade

• Processo: 18/04933-5
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de outubro de 2018
• Data de Término da vigência: 30 de setembro de 2021
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Química - Processos Industriais de Engenharia Química
• Acordo de Cooperação: West Virginia University
• Pesquisador responsável: Marcelo Perencin de Arruda Ribeiro
• Beneficiário: Marcelo Perencin de Arruda Ribeiro
• Pesquisador Responsável no exterior: Fernando Vines Faria De Lima
• Instituição Parceira no exterior: West Virginia University (WVU), Estados Unidos
• Instituição Sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
• Assunto(s): Soro do leite
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Controle de Bioprocessos | Estimação de estados | galactooligossacarídeos | Modelagem de Bioprocessos | Soro de leite | Controle de processos Bioquímicos

Resumo

Este projeto foca na pesquisa em aplicações de bioprocessos numa colaboração conjunta Brasil-EUA entre a UFSCar e WVU que aborda os desafios modernos da fabricação modular de bioprocessos. Essa colaboração vem sendo realizada desde 2015 e, assim, já proporcionou oportunidades de pesquisa e educação para ambos os países. Espera-se que os resultados deste projeto conduzam a uma estrutura para modelagem, estimativa e controle de bioprocessos.Batelada e batelada-alimentado são operações muito comuns em bioprocessos, pois o modo contínuo pode apresentar desativação de biocatalisadores (células morrem e desnaturações enzimáticas), o que requer a sua substituição em questão de horas ou dias. Os biocatalisadores também são frequentemente inibidos por seus substratos (reagentes) e, portanto, o último deve ser adicionado de forma controlada, de modo que a máxima seletividade / produtividade do processo seja alcançada. Existem também outros aspectos que favorecem operações descontínuas de bioprocessos, como a escala de processo e controle de qualidade. No entanto, vários desafios surgem durante a operação de reatores descontínuos. Por exemplo, para tal operação, as variáveis de estado variam com o tempo e o processo deve ser monitorado, otimizado e controlado on-line para obter os perfis ótimos do variáveis de estado/entradas. Para atingir este objetivo, é proposto neste projeto uma estrutura integrada para bioprocessos.Os dois PPs do Brasil (UFSCar) e EUA (WVU) estão particularmente bem posicionados para realizar a pesquisa proposta considerando suas credenciais em sua área de pesquisa e colaborações bem-sucedidas entre os dois grupos. Além disso, os PPs desenvolveram em conjunto, modelos, estimativas de estado e abordagens de controle de oxigênio dissolvido em reator pneumático. Essa colaboração resultou em um artigo de periódico de revisão de pares (Campani et al., 2018). Nesta proposta, essas abordagens são estendidas para produzir um ambiente visando bioprocessos modulares. Esta estrutura será implementada para a síntese enzimática de galacto-oligossacarídeo a partir de permeado de soro de leite/ lactose.A síntese enzimática de galacto-oligossacarídeo (GOS) utilizando ²-galactosidase, associada à produção do concentrado de proteína de soro de leite (WPC), pode ser uma alternativa para utilizar o permeado de soro de leite frequentemente descartado por pequenos produtores de laticínios. O GOS é um prebiótico de alto valor agregado usado em formulações de alimentos infantis e de idosos. A ²-galactosidase é uma enzima GRAS (Generally Recognized as Safe) e a sua remoção do produto não é necessária. No entanto, o alto custo da enzima e o controle de muitos parâmetros que afetam o rendimento da reação da reação de Lactose em GOS podem tornar o investimento deste processo arriscado. Este bioprocesso se encaixa perfeitamente no conceito de fabricação modular e plantas inteligentes (Christofides et al., 2007), em que unidades de pequena escala poderiam ser projetadas e distribuídas em torno de fazendas.Para realizar esta pesquisa, são propostos os seguintes objetivos detalhados abaixo: (i) construir modelos matemáticos do processo e definir perfis ótimos de substrato e enzima; (ii) formular estimativas de estado computacional e abordagens de controle para bioprocessos; (iii) aplicar a estrutura de controle e estimativa de estado integrada ao bioprocesso. Todas as etapas desta pesquisa ocorrerão em conjunto e explorarão a sinergia entre as resultados experimentais e de simulação realizados por ambas as equipes de pesquisa. A validação experimental será realizada para avaliar abordagens e modelos propostos. No final desta pesquisa de dois anos, esperamos ter um processo otimizado validado com um sistema de controle adequado que estará pronto para uma avaliação econômica preliminar. Esta avaliação será analisada com visando um processo de escala modular para o tratamento de soro de leite em pequenas indústrias de produtos lácteos. (AU)