Imobilização de Saccharomyces cerevisiae em alginato de cálcio com nanopartículas magnéticas

Abstract

Uma das vantagens da utilização de células imobilizadas em processos fermentativos é a facilidade de separação da célula do meio de cultivo. As alterações que a imobilização causará no crescimento celular ou na atividade metabólica das células são imprevisíveis. Como suporte de imobilização celular, utiliza-se amplamente o alginato de cálcio. A utilização de material magnético em imobilização se destaca pela sua utilização em reatores de leito fluidizados estabilizados magneticamente, configuração esta, que permite grande flexibilidade operacional. Sendo assim, o presente trabalho possui como objetivo geral a imobilização celular por aprisionamento em alginato de cálcio da levedura Saccharomyces cerevisiae com nanopartículas magnéticas de magnetita. Após a síntese da magnetita, constatou-se a escala nano das partículas por microscopia eletrônica de transmissão. Para a etapa de imobilização celular preparou-se 10 mL de solução de alginato de sódio e adicionou-se as partículas magnéticas e Saccharomyces cerevisiae. Esta mistura foi gotejada na solução de cloreto de cálcio, formando-se assim, as esferas de células imobilizadas. Com base nos resultados do estudo de absorção de água pela célula imobilizada, constatou-se que a absorção de água pela esfera não causa as rachaduras presentes no suporte durante a fermentação, concluindo que estas rachaduras são causadas pelo crescimento celular no interior da esfera. A análise da microscopia eletrônica de varredura indicou a eficiência da ligação entre as nanopartículas de magnetita, o alginato e as células de levedura. Os resultados obtidos pelo magnômetro da amostra vibrante indicaram que o alginato e a levedura não interferem nas propriedades magnéticas da magnetita, e que o suporte sintetizado neste trabalho possui propriedades magnéticas válidas para ser aplicadas em reator de leito fluidizado magneticamente estabilizado. Para a condução da fermentação alcoólica, os erlenmeyers contendo o meio e as esferas de células imobilizadas foram mantidos em incubadora por 24 h. Pela análise cinética do consumo de substrato durante a fermentação alcoólica, é possível afirmar que a presença da nanopartícula magnética no suporte não possui influência significativa no processo fermentativo. Pela análise qualitativa do estudo da influência da concentração de levedura e do teor de alginato na integridade das esferas, constatou-se pelo teste Qui-Quadrado, que apenas o teor de alginato possui evidência estatística de possuir associação com a integridade do suporte imobilizado. A análise quantitativa indicou que a variação na concentração de levedura e no teor de alginato utilizados na imobilização não interfere na produtividade da fermentação. Sendo assim, para a determinação das condições de imobilização promissoras para futuros trabalhos, considerou-se ambas as análises. As melhores condições de imobilização consideradas são 1% de alginato de sódio e 100 g L-1 de levedura, que manteve a integridade das esferas por 2 ciclos, ambos com rendimento acima de 70%; e 2% de alginato de sódio e 50 g L-1 de levedura, que manteve a integridade das esferas por 4 ciclos, porém apenas 2 ciclos resultaram em rendimento superior a 70%.

Abstract: One of the advantages of using immobilized cells in fermentative processes is the facility of cell separation from the culture medium. The changes that immobilization causes in cell growth or in cell metabolic activity are unpredictable. As cell immobilization support, the calcium alginate is largely use. The magnetic supports are distinguished by their use in magnetically stabilized fluidized bed reactors, a configuration that allows great operational flexibility. Therefore, this work has as main objective the cell immobilization by imprisonment in calcium alginate of yeast Saccharomyces cerevisiae with magnetite magnetic nanoparticles. After the magnetite synthesis, the nanoscale of the particles synthesized was determined by transmission electron microscopy. For the cell immobilization step it was prepared 10 mL of sodium alginate solution and then the magnetic particles and Saccharomyces cerevisiae were added. This mixture was dropped into the calcium chloride solution, thus forming the beads. Regarding water absorption study by the immobilized cell, it was verified that the water absorption by the beads does not induce the cracks present in the support during the alcoholic fermentation, leading to the conclusion that these cracks are caused by the cell growth inside the beads. The scanning electron microscopy indicated the bond efficiency between magnetite nanoparticles, alginate and yeast cells. The results obtained by the vibrating sample magnetometer indicated that alginate and yeast do not interfere in the magnetic properties of the magnetite, and that the support synthesized in this work has valid magnetic properties to be applied in a magnetically stabilized fluidized bed reactor. For the alcoholic fermentation, the erlenmeyer flasks containing the medium and the beads were placed in an incubator for 24 h. By the kinetic analysis of the substrate consumption during the alcoholic fermentation, it is possible to affirm that the presence of the magnetic nanoparticle in the support does not have significant influence in the fermentative process. By the qualitative analysis of the yeast concentration and the alginate content influence study on the beads integrity, it was verified by the Chi-Square test that only the alginate content has statistical evidence of having an association with the integrity of the immobilized support. The quantitative analysis indicated that the variation in yeast concentration and alginate content used in immobilization does not interfere in the fermentation productivity. Thus, both analyzes were considered for the determination of the promising immobilization conditions for future work. The best immobilization conditions considered are 1% of sodium alginate and 100 g L-1 of yeast, condition that maintained the beads integrity for 2 cycles, both with yield above 70%; and 2% of sodium alginate and 50 g L-1 of yeast, which maintained the beads integrity for 4 cycles, but only 2 cycles resulted in yields above 70%.