Influência de campo magnético na fermentação alcoólica

Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010
DOI: 10.4260/BJFT2010130100006
Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua
Effect of a magnetic field on discontinuous alcoholic fermentation
Autores | Authors
Pollyana LOPES
Walter BORZANI
Escola de Engenharia Mauá (EEM)
Instituto Mauá de Tecnologia (IMT)
Departamento de Engenharia Química e
de Alimentos
e-mail: [email protected]
[email protected]
José Alberto Domingues
RODRIGUES
Escola de Engenharia Mauá (EEM)
Instituto Mauá de Tecnologia (IMT)
Departamento de Engenharia Química e
de Alimentos
Praça Mauá 1
CEP 09580-900
São Caetano do Sul/SP - Brasil
e-mail: [email protected]
Suzana Maria RATUSZNEI
Escola de Engenharia Mauá (EEM)
Instituto Mauá de Tecnologia (IMT)
Departamento de Engenharia Química e
de Alimentos
e-mail: [email protected]
Autor Correspondente | Corresponding Author
Recebido | Received: 23/06/2008
Aprovado | Approved: 14/12/2009
Resumo
Neste trabalho foi realizado o estudo da influência do campo magnético
sobre a fermentação alcoólica em modo descontínuo (batelada), utilizando-se
Saccharomyces cerevisiae comercial como inóculo e glicose (PA) como fonte
de carbono e energia (substrato). Foi avaliada a influência de campo magnético
gerado por condicionador magnético e por pares de ímãs, utilizando-se tubo de
ensaio e fermentador como biorreatores, implementando-se diferentes condições
experimentais referentes à concentração celular inicial (Saccharomyces cerevisiae
comercial) e à concentração de substrato inicial (glicose), analisando-se as
variáveis de processo das concentrações iniciais (S0) e finais (Sf) de glicose,
concentrações iniciais (X0) e finais (Xf) de célula (expressas em matéria seca),
concentração final de etanol (Ef), estimativa do tempo final de fermentação (tf),
rendimento na produção de etanol (η) e produtividade (Pr). Os resultados obtidos
na primeira e na segunda etapa do projeto, nas quais foi utilizado tubo de ensaio
como biorreator (20 mL) e variando-se a concentração inicial de substrato (170 a
20 g.L–1), a concentração inicial de células (30 a 0,2 g.L –1), o condicionador
magnético (250 e 420 Gauss) ou os pares de imãs (5000 Gauss), permitiram
concluir que a presença de campo magnético dentro da faixa estudada de
campo magnético não resultou em diferença significativa em todas as condições
estudadas. Na terceira e na quarta etapa do projeto, foi utilizado fermentador (7 L)
como biorreator variando-se a concentração inicial de substrato (155 a 46 g.L–1),
a concentração inicial de células (22 a 3 g.L–1), o condicionador magnético ou os
pares de imãs, podendo-se concluir mais uma vez que não foi possível detectar a
influência do campo magnético. Portanto, nas condições experimentais estudadas,
não existiu a comprovação de algum benefício ocasionado pela presença de
campo magnético no processo de produção de etanol em modo batelada.
Palavras-chave: Fermentação alcoólica; Batelada; Campo magnético.
Summary
In this study the effect of a magnetic field on the discontinuous alcoholic
fermentation process was studied, using commercial Saccharomyces cerevisiae
as the inoculum and glucose (PA) as the carbon and energy source (substrate).
The magnetic field was generated by a magnetic conditioner and by a pair of
magnets, using a test tube and a fermenter as the bioreactors, implementing different
experimental conditions with respect to the initial cell concentration (commercial
Saccharomyces cerevisiae) and the initial substrate (glucose) concentration. The
process variables analyzed were: initial (S0) and final (Sf) glucose concentrations,
initial (X0) and final (Xf) cell concentrations (in terms of dry matter), final ethanol
concentration (Ef), estimation of the final fermentation time (tf), ethanol production
yield (η) and productivity (Pr). The results obtained in the first and second stages
of the project, in which a test tube was used as the bioreactor (20 mL), varying
the initial substrate concentration (170 to 20 g.L–1), initial cell concentration (30 to
0.2 g.L–1), and using a magnetic conditioner (250 and 420 Gauss) or pair of magnets
(5000 Gauss), showed that the presence of the magnetic field did not result in any
significant difference under the conditions investigated. In the third and fourth stages
of the project a 7-L fermenter was used as the bioreactor, varying the initial substrate
concentration (155 to 46 g.L–1), initial cell concentration (22 to 3 g.L–1), and magnetic
conditioner or pair of magnets. Once again no influence of the magnetic field on the
alcoholic batch fermentation process was detected. Thus under the experimental
conditions investigated, there was no evidence of any benefit for the presence of a
magnetic field on the discontinuous production of ethanol.
Key words: Alcoholic fermentation; Batch process; Magnetic field.
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Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua
LOPES, P. et al.
1 Introdução
A influência de campos magnéticos sobre sistemas
biológicos em geral é abordada em literatura para
processos de interesse industrial (KOKHOLM e GORMSEN,
1983), como no cultivo de Escherichia coli (OKUNO et al.,
1993; KAZUMASA et al., 1994; JUSTO et al., 2006a), na
produção de antibióticos (AL-QODAH, 2000), no processo
fermentativo por Taxas chinensis (SHANG et al., 2004), na
fermentação do Lactococcus lactis (JUSTO et al., 2006b),
na fermentação da bactéria Rhodobacter sphaeroides
IFO 12203 (UTSUNOMIYA et al., 2003) e no crescimento
da bactéria Spirulina plantesis (HIRANO et al., 1998).
No campo do tratamento de águas residuárias,
existem estudos da influência da aplicação de campo
magnético no processo de lodo ativado (SAKAI et al.,
1991; HATTORI et al., 2001; 2002) e na biodegradação
de fenol (OSAKI et al., 1991; RAJA RAO et al., 1997).
Nesses estudos, os resultados avaliam a influência do
campo magnético sobre o crescimento da biomassa,
a viabilidade celular, a velocidade de conversão do
substrato, a velocidade de produção etc., para diferentes
condições de processo relacionadas à concentração
celular e de substrato, intensidade de campo magnético
e a forma de contato entre o campo magnético e o meio
líquido.
Nesse contexto, alguns trabalhos referem-se
à levedura Saccharomyces cerevisiae utilizada na
fermentação alcoólica. Ivanova et al. (1996) analisaram
a viabilidade da aplicação de campo magnético de 800 a
2600 Gauss no processo de fermentação contínua para
a produção de etanol, com células de Saccharomyces
cerevisiae imobilizadas e meio de cultura composto por
glicose com concentração de 110-180 g.L–1 e nutriente
a 32 ºC. O processo de fermentação foi realizado com
campo magnético transversal ao escoamento do fluido.
Como resultado, um aumento na concentração de
etanol e velocidade de consumo de substrato foi obtido,
comparando-se ao processo convencional.
Motta et al. (2001) estudaram a influência do campo
magnético no cultivo de Saccharomyces cerevisiae,
aplicando um campo magnético de 1100 e 2200 Gauss e
analisando o crescimento celular e a atividade metabólica
do microrganismo, estimada pelo dióxido de carbono
produzido e pelas alterações do pH do meio. Para análise
do crescimento da biomassa, frascos de vidro contendo
10 mL do meio de fermentação (glicose 2%) e inoculados
com 10% de suspensão celular eram incubados a 25 ºC
e observados durante 24 h, sendo amostrados a cada
2 h. Um sistema de reatores idêntico foi montado para a
determinação da produção de CO2, estando os frascos
fechados e na presença de um manômetro. Os resultados
apresentaram incremento no crescimento celular de
1,84% e na produção de CO2 de 36,1%, quando na
presença de campo magnético de 2200 Gauss.
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Motta et al. (2004) também estudaram o efeito do
campo magnético na fermentação alcoólica, utilizando
glicose como substrato. O sistema era composto por
dois reatores de 200 mL de capacidade nominal,
agitados mecanicamente a 23 ºC. Cinco pares de
magnetos eram colocados diametralmente opostos ao
redor da parede de um dos reatores, possibilitando
exposição da Saccaromyces cerevisiae DAUFPE-1012
a campo magnético de 2200 Gauss. Amostras do meio
de cultura, composto por extrato de levedura e glicose
(2%), eram retiradas em intervalos de 2 h durante 24 h
para determinação da concentração celular, de glicose
e de etanol. Os resultados apontaram acréscimo da
concentração celular em 2,5 vezes e da concentração
de etanol em 3,4 vezes, nas culturas magnetizadas
comparadas as que não foram expostas ao campo.
Mais recentemente, Perez et al. (2007) estudaram o
efeito do campo magnético na produção de etanol durante
a fermentação em batelada, utilizando caldo de cana
como substrato. O meio de cultura do fermentador era
recirculado externamente por um tubo de aço inoxidável
inserido em dois geradores de campo magnético. A
velocidade de recirculação e a intensidade do campo
magnético variaram de 0,6-1,4 m.s –1 e 50-200 Gauss,
respectivamente. Como resultado foi observado um
aumento de 17% no rendimento do processo na melhor
condição de tratamento (0,9-1,2 m.s –1 e 200 Gauss).
Enquanto o processo tradicional de fermentação
demorou 15 h, com a aplicação dos ímãs acoplados ao
biorreator esse tempo foi reduzido para 12 h. Segundo
os autores, o ganho de produção foi possível porque o
campo magnético provavelmente alterou o metabolismo
das leveduras e aumentou a produtividade, sendo tal
efeito justificado pela potencial influência do campo
magnético sobre as membranas celulares, alterando
a permeabilidade à passagem de nutrientes. Assim,
a permeabilidade aumenta, o transporte de substrato
no interior da célula também aumenta, resultando em
maior produção de etanol. Embora o resultado tenha
sido comprovado pelos pesquisadores, esses efeitos
biológicos dos campos magnéticos ainda não foram
completamente elucidados. Uma outra hipótese atribui ao
campo magnético a capacidade de influenciar de alguma
forma as enzimas que são os catalisadores biológicos,
deixando-as numa conformação mais apropriada para
reagir com o substrato e com outros compostos do
processo.
Assim, verifica-se que a influência de campos
magnéticos em processos biológicos pode depender de
vários fatores, tais como o microrganismo responsável
pela biotransformação, a composição do meio, a
temperatura, a concentração microbiana, a intensidade
do campo magnético, a variação dessa intensidade
ao longo do tempo e o tempo de aplicação do campo
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magnético. Assim, devido à limitação de trabalhos
publicados, existe a necessidade da busca por maiores
conhecimentos da influência da utilização de campos
magnéticos em processos biológicos.
Indução magnética (Gauss)
77
300
500
b
400
300
200
100
0
100
Também foram utilizados fermentadores Biolafitte
de 15 L de capacidade nominal, representado na
Figura 3.
2.2 Microrganismo
Foi utilizado, em todos os ensaios, fermento de
panificação prensado comercial da marca Itaiquara
(Saccharomyces cerevisiae), sendo este peneirado
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300
400
500
Figura 1. a) Esquema (cotas em mm) e b) Perfil de indução
magnética do condicionador magnético utilizado no estudo.
a
+
–
18
44
100
200
6000
Indução magnética (Gauss)
Devido ao fato da indução magnética do
condicionador ser muito variável, optou-se em alguns
ensaios por sua substituição por três pares de ímãs,
fornecidos pela empresa Sumetal Mercantil. O esquema
de um ímã é apresentado na Figura 2. As medidas de
indução magnética na superfície dos ímãs revelam campo
magnético mais definido e mais intenso, atingindo o pico
de aproximadamente 5000 Gauss.
200
Comprimento do tubo (mm)
2.1 Aparato experimental
Na realização de alguns ensaios, utilizou-se
o condicionador magnético Aqua Shield, modelo
CMR-25HD. O condicionador, esquematizado na Figura 1,
possui indução magnética variável, em relação à posição
dentro do tubo de recirculação. O condicionador
apresentou valor máximo de 420 Gauss (indução
magnética máxima – IMM) e valor mínimo de 250 Gauss
nas proximidades das extremidades do tubo.
180
44
2 Material e métodos
22
13
Neste contexto, este trabalho teve como objetivo
principal a avaliação da influência do campo magnético
sobre a fermentação alcoólica em modo descontínuo
(batelada), utilizando Saccharomyces cerevisiae comercial
como inóculo e glicose (PA) como fonte de carbono
e energia (substrato). A justificativa para a realização
deste trabalho se baseia na busca do conhecimento
sobre o efeito da atuação do campo magnético nos
microrganismos responsáveis pelo processo de produção
de etanol no modo batelada, dada a atual importância
atual desse combustível e pela ausência de trabalhos em
literatura com relação ao tema proposto. Dessa forma,
foram realizados ensaios com campo magnético gerado
por condicionador magnético e por pares de ímãs,
utilizando tubo de ensaio e fermentador como biorreator,
implementando diferentes condições experimentais
referentes à concentração celular inicial (Saccharomyces
cerevisiae comercial) e à concentração de substrato
inicial (glicose).
Tubo de
a
recirculação
do meio
Írmãs
b
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Comprimento do imã (mm)
Figura 2. a) Esquema (cotas em mm) e b) Perfil de indução
magnética do ímã utilizado no estudo.
em peneiras de abertura de 2 por 3 mm antes de sua
utilização e conservado em frascos de vidro fechados à
temperatura de 1 a 8 ºC, por no máximo dois dias quando
utilizados em mais de um ensaio.
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B
D
E
F
tubos foi inserido no interior do condicionador
magnético. O outro tubo não foi submetido à
influência do campo magnético. Periodicamente
mediam-se as massas dos tubos com meio de
fermentação, com o objetivo de se determinar
o tempo de fermentação (Figura 4).
C
A
G
G
H
505
I
L
J
M
200
Figura 3. Esquema do fermentador utilizado no estudo da
influência do campo magnético sobre a fermentação alcoólica
descontínua (cotas em mm). (A - tampa; B - entrada de água
no sistema de aquecimento e resfriamento; C – saída de água
do sistema de aquecimento e resfriamento; D, E e F – conexões
auxiliares para transferências assépticas de meio e adição de
antiespumante; G – chicanas; H – eixo; I – nível inicial de líquido;
J – turbina de 4 pás (20 mm x 20 mm) com 90 mm de diâmetro
externo; L – bocal para termopar; M – dreno).
2.3 Planejamento experimental
Utilizaram-se quatro metodologias para o estudo
da influência do campo magnético na fermentação.
a)Experimentos utilizando tubos de ensaio como
reatores e o condicionador magnético: Nessa
metodologia foram utilizados dois tubos de
ensaio (12 mm de diâmetro e 150 mm de
comprimento), contendo o mesmo volume do
mesmo meio de fermentação (20 mL). Um dos
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b)Experimentos utilizando tubos de ensaio como
reatores e pares de ímãs: Nessa metodologia
foram utilizados três tubos de ensaio (12 mm de
diâmetro e 150 mm de comprimento) contendo o
mesmo volume do mesmo meio de fermentação
(20 mL). Um dos tubos foi colocado entre os três
pares de polos positivos e outro entre os três
pares de polos negativos (Figura 5). A distância
entre os magnetos era de aproximadamente
12 mm. O terceiro tubo ficava distante dos ímãs.
Periodicamente mediam-se as massas dos tubos
com meio em fermentação, com o objetivo de
se determinar o tempo de fermentação.
Vale destacar que, nas duas metodologias em
que foram utilizados tubos de ensaio, foram medidas
as concentrações iniciais de glicose e de levedura e as
concentrações finais de glicose, de levedura e de etanol
(Figura 5). Além disso, deve ser citado que o objetivo de
utilizar campo magnético divergente (positivo/positivo e
negativo/negativo) foi o de verificar a influência de campos
magnéticos de mesmo polo sobre as amostras, ou seja,
apenas o positivo e apenas o negativo, podendo-se dessa
forma analisar a influência de cada um.
c)Experimentos utilizando fermentadores e
condicionador magnético: Nessa metodologia a
fermentação foi realizada em reator (7,5 L), sendo
o meio em fermentação recirculado de forma a
passar pela região contendo o condicionador.
Periodicamente, mediam-se as concentrações
de célula, de glicose e de etanol. Em paralelo
realizava-se uma fermentação em idênticas
condições, mas na ausência do condicionador
magnético (Figura 6).
d)Experimentos utilizando fermentadores e ímãs:
Nessa metodologia a fermentação foi realizada
em reator (7,5 L), havendo a recirculação externa
do meio líquido de forma a passar pela região
contendo os imãs. Os três pares de imãs foram
colocados ao longo do tubo de modo divergente,
ou seja, polos positivo/positivo e negativo/
negativo. Periodicamente, mediam-se as
concentrações de célula, de glicose e de etanol.
Em paralelo realizava-se uma fermentação em
idênticas condições, mas na ausência dos ímãs
(Figura 7).
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Figura 4. Fotografia do sistema para ensaios com a utilização de tubos de ensaio como reatores e condicionador magnético.
Figura 5. Fotografia do sistema para ensaios com a utilização de tubos de ensaio como reatores e ímãs.
Figura 6. Fotografia do sistema para ensaios com utilização de
fermentador e condicionador magnético.
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Figura 7. Fotografia do sistema para ensaios com utilização de
fermentador e ímãs.
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2.4 Métodos analíticos utilizados
A Tabela 1 mostra os métodos analíticos utilizados
nas atividades experimentais realizadas.
Nos ensaios em fermentadores, a determinação da
duração do processo é frequentemente realizada a partir
do perfil da curva de concentração de etanol. Quando
esta concentração atinge o valor máximo, diz-se que o
processo foi completado, determinando-se, assim, tf.
Nos ensaios realizados com tubos de ensaio,
traça-se um gráfico da diminuição da massa do sistema
(Dm) em função do tempo. Essa diminuição de massa é
consequência do desprendimento de CO2, quase todo
ele produzido na fermentação alcoólica. Terminado o
desprendimento de CO2, a massa do sistema continua a
diminuir lentamente, como consequência da evaporação
de substâncias.
O rendimento da fermentação (η), expresso em
porcentagem é dado a seguir. Cumpre lembrar que: a)
V é considerado constante durante a fermentação, em
que pese o fato de uma pequena diminuição de volume
ocorrer durante o processo (BORZANI e PEREGO, 1976;
BORZANI, 2003); b) As concentrações de glicose e etanol
são medidas na fase aquosa do meio; c) A concentração
de etanol intracelular é igual à da fase aquosa (PAMMENT
e DASARI, 1988); d) A concentração inicial de etanol é
nula; e) A concentração final de glicose é praticamente
nula.
η=
Ef
⋅ 100

X0 
0,511⋅  1 −
 σ ⋅ ρ 
(1)


MEP
η= 
⋅ 100  0,511⋅ MSC 
(2)
MEP = V ⋅ E f (3)
MSC = Va ⋅ S0 (4)
Tabela 1. Métodos analíticos utilizados.
Parâmetro
Técnica ou método analítico
utilizado
Concentração celular
Gravimetria (em membranas)
(matéria seca)
(COONEY, 1981)
Consumo de glicose
Método do ácido dinitrossalicílico
(MILLER, 1959)
Produção de etanol
Método do dicromato de potássio
(JOSLYN, 1970)
Produção de gás
Medida de massa
carbônico
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  X 
Va = V ⋅ 1 −  0     σ ⋅ ρ 
η=
E f   X0  
⋅ 1 −
 ⋅ S0 0,511   σ ⋅ ρ  
  X 
S '0 = 1 −  0   ⋅ S0   σ ⋅ ρ 
η=
Ef
⋅ S '0 0,511
(5)
(6)
(7)
(8)
A produtividade de um processo fermentativo é
definida como a relação entre a concentração de produto
formado e o tempo decorrido (LUEDEKING, 1967).
P=
E f − E0
tf
(9)
sendo: E0 – concentração inicial de etanol (nesse caso,
E 0 =0), g.L–1; E f – concentração final de etanol, g.L–1;
E f – concentração final de etanol, g.L–1; M EP – massa
de etanol produzida, g; M SC – massa de substrato
consumida, g; S’ 0 – concentração inicial de glicose
corrigida, g.L –1; S 0 – concentração inicial de glicose,
g.L–1; Sf – concentração final de glicose, g.L–1; tf – tempo
final de fermentação, h; V – volume de meio no reator, L;
Va – volume da fase aquosa do meio, L; X’0 – concentração
inicial de células em base úmida, g.L–1; X0 – concentração
inicial de células em base seca, g.L–1; Xf – concentração
final de células em base seca, g.L–1; η – rendimento do
processo, %; ρ – densidade do microrganismo, g.L–1
(admitindo 1100 g.L –1); σ – teor de matéria seca da
levedura, adimensional (admitindo 0,3).
As Tabelas 2 a 5 mostram a programação dos
ensaios realizados.
Dessa for ma, as principais diferenças em
relação aos trabalhos encontrados em literatura foram
(IVANOVA et al., 1996; MOTTA et al. 2001; MOTTA et al.,
2004; PEREZ et al., 2007): (i) avaliar a influência de
campos magnéticos de 250-420-5000 Gauss, ou seja,
com um intervalo amplo; (ii) avaliar a influência de
campos magnéticos divergentes; (iii) avaliar a influência
de campos magnéticos gerados por condicionador
e imãs; (iv) avaliar a influência de diferentes tipos de
biorreatores – tubo de ensaio e fermentadores; (v) utilizar
Saccharomyces cerevisiae comercial em intervalo de
concentração celular desde valor reduzido até próximo
ao valor utilizado industrialmente (0,2 a 30 g.L –1); e
(vi) utilizar concentração de substrato desde valor
reduzido até próximo ao valor utilizado industrialmente
(20 a 170 g.L–1).
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Tabela 2. Ensaios realizados com tubo de ensaio e condicionador magnético.
Ensaio (nº)
Composição do meio
(g.L–1)
1
2
3
4
5
6
Glicose
150
150
100
100
50
50
Fermento prensado
80
80
80
80
10
10
Indução magnética aproximada (Gauss)
420
250
420
250
420
250
7
50
3
420
8
20
10
420
9
20
3
420
Obs.: Em todos os ensaios adicionava-se extrato de levedura (2,5 g.L–1), ureia (2,5 g.L–1), KH2PO4 (3,0 g.L–1) e MgSO4.7H2O (0,6 g.L–1).
Tabela 3. Ensaios realizados
Composição do meio
(g.L–1)
Glicose
Extrato de levedura
Ureia
KH2PO4
MgSO4. 7H2O
Fermento prensado
com tubo de ensaio e ímãs.
10
180
3
3
7
1,5
100
11
180
3
100
12
180
3
3
7
1,5
75
13
180
3
75
Tabela 4. Composições para os ensaios com fermentador e
condicionador magnético.
Ensaio (nº)
Composição do meio
(g.L–1)
21
22
Glicose
150
100
Extrato de levedura
2,5
2,5
Ureia
2,5
2,5
KH2PO4
3
3
MgSO4 7H2O
0,6
0,6
Fermento prensado
80
50
Tabela 5. Composição para os ensaios com fermentador e
ímãs.
Composição do meio(g.L–1)
Ensaio (nº)
23
Glicose
50
Fermento prensado
10
Extrato de levedura
5,5
3 Resultados e discussão
3.1. Ensaios com tubo de ensaio como
biorreator e condicionador magnético
A Tabela 6 apresenta os resultados dos ensaios
de 1 a 9 quanto às informações das concentrações
iniciais (S0) e finais (Sf) de glicose, concentrações iniciais
(X0) e finais (Xf) de célula (expressas em matéria seca),
concentração final de etanol (Ef), estimativa do tempo final
de fermentação (tf), rendimento na produção de etanol
(η), produtividade (Pr) e variação de massa dos tubos
de ensaios usados como reatores (Dm) nos processos
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Ensaio (nº)
14
15
180
180
3
3
3
7
1,5
50
50
16
180
3
3
7
1,5
20
17
180
3
20
18
50
3
3
7
1,5
1
19
50
3
1
fermentativos para os ensaios realizados com a presença
do condicionador magnético (PCM) e na ausência dele
(ACM), ou seja, com a presença ou ausência de campo
magnético, cuja quantificação foi feita pela indução
magnética de 420 Gauss (denominada de Indução
Magnética Máxima – IMM).
O objetivo principal desses ensaios foi o de
quantificar a influência do campo magnético produzido
pelo indutor magnético sobre o processo biológico
em batelada de produção de álcool analisando-se as
variáveis monitoradas. Neste sentido, foram realizados
experimentos de fermentação alcoólica em tubos de
ensaio de modo que a relação entre a intensidade de
indução magnética e o volume de meio de cultivo fosse
otimizada. Assim, a influência do campo magnético
foi interpretada quantificando-se as concentrações de
células, de substrato e de etanol no início e no fim do
processo em batelada e também a variação de massa do
tubo de ensaio (biorreator) ao longo da batelada.
Analisando-se os resultados pode-se concluir
que a presença do condicionador magnético, ou seja, a
presença de campo magnético pela indução magnética
máxima não resultou em diferença significativa em todas
as condições estudadas. Dessa forma, esses ensaios não
conseguiram demonstrar nenhum benefício do campo
magnético sobre o processo biológico de produção de
etanol em batelada.
Assim, os ensaios de 1 a 9, nos quais as
concentrações iniciais celular e de substrato variaram de
1,1 a 22,3 g.L–1 e de 20,0 a 149,2 (ou 19,9 a 139,1) g.L–1,
respectivamente, realizados no intuito de avaliar a
influência do campo magnético de baixa intensidade
(420 Gauss) em valores de concentrações celular e
de substrato desde níveis baixos até níveis próximos
44
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Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua
LOPES, P. et al.
Tabela 6. Resumo dos resultados realizados com tubo de ensaio (biorreator) sem (ACM) e com (PCM) condicionador
magnético.
Variáveis
Ensaios
1
2
3
4
5
6
7
8
9
S0 (g.L–1)
149,2
147,2
87,9
102,6
52,0
51,1
54,5
23,2
20,0
X0 (g.L–1)
22,3
22,9
22,8
22,3
3,0
3,2
1,1
3,4
1,1
S´0 (g.L–1)
139,1
137,0
81,8
95,7
51,5
50,6
54,3
23,0
19,9
Sf (g.L–1)
PCM
0,3
0,6
0,2
0,2
0,2
0,3
0,2
0,2
0,2
ACM
0,4
0,7
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
Xf (g.L–1)
PCM
32,4
31,9
31,9
30,1
6,5
6,3
4,4
5,2
4,4
ACM
30,5
32,4
32,4
28,3
5,6
7,7
4,9
5,3
4,0
PCM
44,7
45,7
27,4
30,7
16,8
16,6
17,8
7,6
6,4
Ef (g.L–1)
ACM
45,1
44,9
27,8
31,1
15,6
16,4
16,2
6,8
5,8
tf (h)
PCM
7,0
6,0
4,0
5,0
10,0
10,0
15,0
6,0
11,0
ACM
7,0
6,0
4,0
5,0
10,0
8,0
13,0
7,0
11,0
η (%)
PCM
62,9
65,3
65,5
62,8
63,8
64,2
64,1
64,8
62,8
ACM
63,4
64,1
66,5
63,6
59,2
63,4
58,4
58,0
56,9
Pr (g.L –1.h–1)
PCM
6,4
7,6
6,9
6,1
1,7
1,7
1,2
1,3
0,6
ACM
6,4
7,5
7,0
6,2
1,6
2,1
1,2
1,0
0,5
aos utilizados industrialmente, e de modo a maximizar
a relação entre campo magnético e volume de meio
reacional, não produziram efeito do campo magnético
sobre a fermentação alcoólica. Tal constatação é feita
com base nas diferenças entre os resultados obtidos na
ausência e na presença do campo magnético, os quais
expressam o erro experimental geralmente encontrado
em ensaios envolvendo processos biológicos. Portanto,
diferente dos resultados encontrados por Motta et al.
(2001 e 2004), que realizaram ensaios em biorreatores
parecidos, mas utilizaram cultura celular pura ao invés
de cultura celular comercial e condições experimentais
diferentes (temperatura, concentrações e alguns métodos
analíticos), não foi possível avaliar a influência do campo
magnético, ou seja, o campo magnético não exerceu,
dentro do erro experimental dos ensaios, influência
significativa nas condições dos ensaios de 1 a 9.
3.2 Ensaios com tubo de ensaio como biorreator e
ímãs
A Tabela 7 apresenta os resultados dos ensaios de
10 a 19, contendo informações das concentrações iniciais
(S0 e S’0) e finais (Sf) de glicose, concentrações iniciais
(X0) e finais (Xf) de célula (expressas em matéria seca),
concentração final de etanol (Ef), estimativa do tempo final
de fermentação (tf), rendimento na produção de etanol
(η), produtividade (Pr) e variação de massa dos tubos
de ensaios usados como reatores (Dm) nos processos
fermentativos para os ensaios realizados com a presença
ou ausência de imãs, ou seja, para os ensaios realizados
em polo positivo dos ímãs (“+”), em polo negativo dos
ímãs (“-”) e na ausência de ímãs (“o”).
Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010
O objetivo principal destes ensaios foi o de
quantificar a influência do campo magnético produzido
por imãs, analisando o efeito em polo positivo dos ímãs
(“+”), em polo negativo (“-”) e na ausência deles (“o”).
A justificativa se baseia em testar uma fonte alternativa
de campo magnético, uma vez que a etapa anterior não
conseguiu quantificar influência de campo magnético
produzido por indutor magnético.
Assim, a influência do campo magnético produzido
por imãs sobre o processo biológico em batelada
de produção de álcool analisando-se as variáveis
monitoradas. Neste sentido, da mesma forma que na etapa
anterior, foram realizados experimentos de fermentação
alcoólica em tubos de ensaio de modo que a relação
entre a intensidade de campo magnético e o volume
de meio de cultivo fosse otimizada. De modo análogo
ao da etapa anterior, a influência do campo magnético
foi interpretada quantificando-se as concentrações de
células, de substrato e de etanol no início e no fim do
processo em batelada e também a variação de massa do
tubo de ensaio (biorreator) ao longo da batelada.
Nessa etapa do estudo, alguns ensaios foram
realizados em duplicata e em quadriplicata no intuito
de verificar a reprodutibilidade do ensaio e quantificar
a precisão dos resultados obtidos, que resultaram em
desvio padrão menor que 8%. Pode-se concluir, então,
que os ensaios realizados utilizando tubos de ensaios
como biorreatores de volume reduzido resultaram em
dados experimentais confiáveis, a partir dos quais se
pode, com segurança, analisar a influência do campo
magnético sobre o comportamento do processo biológico
de produção de etanol em batelada.
45
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Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua
LOPES, P. et al.
Analisando-se os resultados dos ensaios de
10 a 19 mostrados na Tabela 7 que contêm os valores
monitorados no início e no fim da batelada e os perfis
da variação de massa do tubo de ensaio (biorreator)
ao longo da batelada, pode-se concluir novamente que
a presença do campo magnético, desta vez produzido
por imãs e considerando-se ainda o polo positivo e o
negativo, não resultou em diferença significativa em todas
as condições estudadas.
vez, a intensidade de campo magnético, além de outras
condições experimentais (cultura celular comercial,
temperatura e níveis de concentração celular e de
substrato), foi diferente da utilizada por Motta et al. (2001
e 2004).
Dessa forma, de modo semelhante aos ensaios
anteriores, os ensaios de 10 a 19, nos quais as
concentrações iniciais celular e de substrato variaram de
0,2 a 27,5 g.L–1 e de 47,6 a 169,7 (ou 47,6 a 155,6) g.L–1,
respectivamente, realizados no intuito de avaliar a
influência do campo magnético de alta intensidade
(5000 Gauss) em valores de concentrações celular e
de substrato desde níveis baixos até níveis próximos
aos utilizados industrialmente, e de modo a maximizar
a relação entre campo magnético e volume de meio
reacional, não produziram efeito do campo magnético
sobre a fermentação alcoólica, considerando de
modo separado os polos positivo e negativo (campos
divergentes). As diferenças entre os resultados obtidos na
ausência e na presença do campo magnético expressam
mais uma vez o erro experimental geralmente encontrado
em ensaios envolvendo processos biológicos. Portanto,
complementando os ensaios de 1 a 9, não foi possível
avaliar a influência do campo magnético dentro do erro
experimental dos ensaios. Vale destacar que, desta
3.3 Ensaios com fermentador como biorreator e
condicionador magnético
Tabela 7. Resumo dos resultados realizados com tubo de ensaio
Variáveis
10
11
12
13
–1
S0 (g. L )
169,7
168,3
169,7
175,2
X0 (g. L–1 )
27,5
29,4
22,8
22,2
S´0 (g. L–1 )
155,6
153,3
158,0
163,4
Sf (g. L–1 )
“+“
0,7
0,6
0,7
0,7
“-“
0,7
0,7
0,8
0,8
“o“
0,7
0,7
0,8
2,3
Xf (g. L–1 )
“+“
38,0
44,0
35,4
36,5
“-“
39,2
41,6
32,3
34,7
“o“
38,8
44,7
34,6
35,5
–1
Ef (g. L )
“+“
65,3
64,8
66,3
68,2
“-“
65,3
64,8
65,9
66,7
“o“
65,0
64,4
66,7
66,3
tf (h)
“+“
5,0
5,0
6,5
7,5
“-“
4,5
5,5
5,5
7,0
“o“
4,5
6,5
6,5
7,5
η (%)
“+“
82,1
82,7
82,1
81,7
“-“
82,1
82,7
81,6
79,9
“o“
81,8
82,2
82,6
79,4
–1 –1
Pr (g.L .h ) “ + “
13,1
13,0
10,2
9,1
“-“
14,5
11,8
12,0
9,5
“o“
14,4
9,9
10,3
8,8
Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010
Assim, optou-se pela realização de ensaios
em fermentador no intuito de verificar se a escala do
biorreator estava reduzindo a resolução dos resultados.
A partir dos resultados obtidos na etapa anterior,
realizaram-se ensaios utilizando fermentadores e não
mais tubos de ensaios como biorreatores, no intuito
de avaliar a influência de campos magnéticos sobre a
fermentação alcoólica em batelada.
Os ensaios foram realizados utilizando-se dois
biorreatores, cuja mistura do meio reacional, em um deles,
foi conseguida pela presença de agitador mecânico e, no
outro biorreator, a mistura foi conseguida pela presença
de agitador mecânico e da recirculação externa da fase
líquida. Tais sistemas de mistura, conforme resultados
experimentais, fornecem o mesmo estado de agitação
(Ensaio 20, cujos resultados não são apresentados).
Assim, no reator com agitação mecânica não
foi utilizado o condicionador magnético, ou seja, os
resultados obtidos nesse fermentador referem-se à
condição na ausência de campo magnético denominada
(biorreator) sem (“o”)
Ensaios
14
15
172,4
172,4
15,6
15,0
164,3
164,6
0,7
1,0
0,8
3,4
0,8
1,4
26,3
26,5
25,7
26,3
27,1
26,5
69,4
69,3
68,7
68,9
68,7
68,5
7,5
10,5
7,5
10,5
8,0
10,5
82,7
82,4
81,9
81,9
81,9
81,5
9,3
6,6
9,2
6,6
8,6
6,5
e com (“+” e “-“) ímãs.
16
170,4
6,0
167,3
0,7
0,7
0,8
13,3
14,0
16,1
74,9
72,2
72,9
12,0
13,0
13,0
87,6
84,5
85,3
6,2
5,6
5,6
17
177,9
6,3
174,5
0,7
0,7
1,0
12,0
13,2
13,6
75,6
74,8
70,9
23,0
20,0
20,0
84,8
83,9
79,5
3,3
3,7
3,5
18
52,5
0,3
52,5
0,3
0,3
1,6
2,8
2,7
3,3
19,4
20,2
19,0
16,5
16,5
72,4
75,4
70,9
1,2
1,2
-
19
47,6
0,2
47,6
0,4
0,9
1,5
2,9
3,0
2,9
20,2
19,8
19,8
83,1
81,5
81,5
-
46
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Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua
LOPES, P. et al.
de “ACM”. Por outro lado, no reator com recirculação
da fase líquida, foi utilizado o condicionador magnético
inserido no sistema pela tubulação de recirculação, ou
seja, a atuação do condicionador magnético sobre o meio
reacional se fez na passagem externa do meio líquido
durante a recirculação da base até o topo do biorreator.
Portanto, os resultados obtidos nesse fermentador
referem-se à condição na presença de campo magnético
denominada de “PCM”.
alcoólica em batelada, dentro do erro experimental
normalmente encontrado em processos biológicos. Vale
ressaltar que estes ensaios foram realizados de modo
parecido com o trabalho de Perez et al. (2007), com
relação à recirculação de meio líquido e intensidade de
campo magnético, diferindo mais uma vez pela escolha
de cultura celular comercial ao invés de cultura pura e nos
níveis de concentrações iniciais celular e de substrato,
sendo esse melaço ao invés de glicose.
No intuito de verificar a influência da presença
do campo magnético em uma condição experimental
diferente, ou seja, no ensaio 21, foi utilizada uma
concentração inicial de substrato de 150 g.L–1 e uma
concentração inicial de células (em base de matéria
úmida) de 80 g.L –1 e, no ensaio 22, foi utilizada uma
concentração inicial de substrato de 100 g.L–1 e uma
concentração inicial de células (em base de matéria
úmida) de 50 g.L–1. Dessa forma, a quantificação das
variáveis monitoradas foi realizada em duas condições
iniciais distintas no intuito de melhor explorar o estudo
da influência do campo magnético.
Assim, optou-se pela realização de ensaios em
fermentador com o uso de imãs no lugar do condicionador
magnético no intuito de complementar os ensaios de
modo análogo ao biorreator tubo de ensaio.
A Tabela 8 apresenta o resumo dos resultados
dos ensaios 21 e 22, e as Figuras 8 e 9 mostram os
resultados dos perfis da concentração de glicose (S),
concentração de célula (X) representada em matéria
seca e concentração de etanol durante todo o processo
fermentativo de produção de etanol em batelada para
os ensaios realizados com a presença do condicionador
magnético (PCM) e na ausência dele (ACM).
3.4 Ensaio com fermentador como biorreator e ímãs
A última etapa do estudo foi realizada utilizando-se
novamente os biorreatores com agitação mecânica e com
recirculação da fase líquida, pelos quais foi realizado
o ensaio 23 sem a presença de campo magnético no
biorreator com agitação mecânica e com a presença
de campo magnético no biorreator com recirculação
Dessa forma, analisando-se os resultados dos
ensaios 21 e 22 (Tabela 8 e Figuras 8 e 9) pode-se
concluir que a utilização de campo magnético de baixa
intensidade (420 Gauss) em fermentador de 7,5 L com
recirculação externa da fase líquida no intuito de otimizar
o contato entre campo magnético e meio reacional,
utilizando concentrações iniciais celular de 13 e 22 g.L–1 e
de substrato de 96 e 155 g.L–1 (valores médios – Tabela 8),
ou seja, valores próximos aos utilizados industrialmente,
mais uma vez não produziu influência na fermentação
Tabela 8. Resumo dos resultados dos ensaios com fermentador
(biorreator) sem (ACM) e com (PCM) condicionador
magnético.
Ensaio
21
22
Variáveis
PCM
ACM
PCM
ACM
S0 (g.L–1)
154,6
154,6
96,0
95,3
–1
X0 (g.L )
21,9
22,2
13,4
13,0
S´0 (g.L–1)
144,3
144,2
92,1
91,5
Sf (g.L–1)
0,7
0,7
0,5
0,3
Xf (g.L–1)
32,0
32,8
21,4
20,5
Ef (g.L–1)
58,7
57,2
37,1
36,1
tf (h)
4,0
4,0
3,0
3,0
η (%)
79,6
77,6
78,8
76,7
Pr (g.L–1.h–1)
14,7
14,3
12,4
10,3
Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010
Figura 8. Perfis da concentração celular (X) em função do tempo
(t) nos ensaios nº 21 (a) e nº 22 (b) com diferentes concentrações
iniciais de células (X0) e de substrato (S0) em fermentador sem
(ACM) e com (PCM) a presença do condicionador magnético.
47
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Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua
LOPES, P. et al.
Figura 9. Perfis da concentração de glicose (S) e etanol (P) em função do tempo (t) nos ensaios nº 21 (a) e nº 22 (b) com diferentes
concentrações iniciais de células (X0) e de substrato (S0) em fermentador sem (ACM) e com (PCM) a presença do condicionador
magnético.
da fase líquida. Nessa etapa, o campo magnético foi
gerado pela presença de imãs no mesmo local onde, no
ensaio anterior, foi inserido o indutor magnético, ou seja,
na passagem do meio reacional da base para o topo do
biorreator.
Assim, a Tabela 9 apresenta o resumo dos resultados
do ensaio 23 e a Figura 10 mostra os resultados dos perfis
da concentração de glicose (S), concentrações de célula
(X) representadas em matéria seca e a concentração de
etanol (P) durante todo o processo fermentativo, para os
ensaios realizados com a presença de ímãs, denominados
de “PI”, e na ausência de imãs, denominados de “AI”.
Dessa forma, analisando-se os resultados obtidos
com o uso de campo magnético de intensidade de
5000 Gauss e fermentador com recirculação externa da
fase líquida, no intuito de otimizar o contato entre o campo
magnético (produzido por imãs) e o meio líquido, com
concentrações iniciais celular e de substrato de 3 g.L–1
e 43,3-46,0 (ou 42,9-45,6) g.L–1, respectivamente, sem a
presença de nutrientes, pode-se mais uma vez concluir
que, dentro do erro experimental normalmente encontrado
em ensaios com processos biológicos, não foi possível
detectar nenhuma influência do campo magnético, dessa
Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010
Tabela 9. Resumo dos resultados do ensaio 23 em fermentador,
programado com ausência de nutrientes, S 0= 50 g.L –1, X 0=
10 g.L–1 (matéria úmida), sem (AI) e com (PI) a presença de
imãs.
Parâmetros
PI
AI
S0 (g.L–1)
43,3
46,0
X0 (g.L–1)
3,0
3,0
S´0 (g.L–1)
42,9
45,6
Sf (g.L–1)
0,3
0,3
Xf (g.L–1)
7,4
7,6
Ef (g.L–1)
19,4
19,7
tf (h)
6,0
6,0
η (%)
88,5
84,6
Pr (g.L–1.h–1)
3,2
3,3
vez utilizando imãs como fonte de geração, sobre a
fermentação alcoólica em batelada.
A justificativa para tentar explicar uma possível
razão pela qual o campo magnético não exerceu
efeito sobre a fermentação alcoólica em batelada nas
condições experimentais estudadas neste trabalho
deve recorrer primeiro às hipóteses que procuram
48
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LOPES, P. et al.
fermentação e o campo magnético, ou seja, propor
configurações de biorreatores que promovam esse
contato eficiente e com tempo de residência significativo,
de modo a permitir que o campo magnético tenha tempo
de influenciar de alguma forma o meio reacional. Além
disso, a melhor magnitude de campo magnético ainda
deve ser mais bem investigada.
4 Conclusões
A análise dos resultados obtidos no estudo da
influência de campo magnético sobre a fermentação
alcoólica em modo descontínuo (batelada), utilizando-se
diferentes formas de geração de campo magnético
(condicionador magnético e pares de imãs) e de biorreator
(tubo de ensaio e fermentador), avaliando-se ainda
diferentes condições iniciais referentes à concentração
de inóculo (Saccharomyces cerevisiae comercial) e
à concentração de substrato (glicose PA), permitiu a
obtenção das seguintes conclusões:
• Nos ensaios realizados utilizando-se tubo de
ensaio como biorreator e com o condicionador
magnético, foi verificado que a presença de
campo magnético pela indução magnética
máxima não resultou em diferença em todas as
condições estudadas;
O tempo final de fermentação foi aproximadamente
coincidente, nas condições com e sem a presença de
campo magnético, o que explica a pequena variação
da produtividade nas diferentes condições dos ensaios
realizados.
Figura 10. Concentração celular (X), de glicose (S) e de etanol
(P) em função do tempo (t) no ensaio 23 em fermentador,
programado com a ausência de nutrientes, e concentração
inicial de substrato (S0) de 50 g.L–1 e de células (X0) de 10 g.L–1
(matéria úmida), sem (AI) e com (PI) a presença de imãs.
explicar tal efeito. Segundo Perez et al. (2007), o efeito
do campo magnético pode ser justificado pela potencial
influência sobre as membranas celulares que altera a
permeabilidade à passagem de nutrientes e aumenta o
transporte de substrato ao interior da célula, resultando
em maior produção de etanol. Outra hipótese se baseia
na capacidade do campo magnético influenciar as
enzimas presentes no microrganismo responsável
pelo processo de modo a conferir uma conformação
mais apropriada para a reação do substrato e outros
compostos; não obstante, tais hipóteses ainda não podem
ser completamente elucidadas. Com o desenvolvimento
deste trabalho, acredita-se que o maior desafio está
em fazer uma melhoria do contato entre o meio em
Braz. J. Food Technol., v. 13, n. 1, p. 38-51, jan./mar. 2010
• Da mesma for ma que na etapa anterior,
pode-se concluir novamente que a presença de
indução magnética mais intensa e com maior
estabilidade, desta vez produzida por pares de
ímãs e considerando-se ainda o polo positivo e
o negativo, não resultou em diferença em todas
as condições estudadas;
A análise dos parâmetros de rendimento e
produtividade não permitiu a conclusão de algum
benefício do campo magnético sobre o processo biológico
de produção de etanol em batelada.
• Nos ensaios realizados utilizando-se fermentador
como biorreator e o condicionador magnético,
os rendimentos não se apresentaram diferentes,
embora um ligeiro acréscimo tenha sido
observado na condição em que era utilizada
a presença do campo magnético. Porém, os
ensaios apresentaram o mesmo tempo final de
fermentação e resultaram na pequena variação
da produtividade;
• Por fim, no ensaio utilizando-se fermentador
como biorreator e pares de ímãs, os resultados
se apresentaram semelhantes aos da etapa
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Influência de campo magnético na fermentação alcoólica descontínua
LOPES, P. et al.
anterior. Os rendimentos nos ensaios em
que foi utilizado campo magnético não foram
diferentes, apresentando o mesmo tempo
final de fermentação e, consequentemente,
produtividades análogas; e
• Dessa forma, de um modo geral, considerando-se
o método utilizado neste estudo (gerador de
campo magnético e tipo de biorreator), os
resultados não evidenciam a detecção de alguma
influência na utilização do campo magnético na
fermentação alcoólica em modo descontínuo
(batelada), utilizando-se glicose e fermento de
panificação comercial como substrato e inóculo,
respectivamente, e nas condições experimentais
planejadas (concentrações iniciais de substrato
e inóculo).
Agradecimentos
Este trabalho contou com o apoio financeiro da
CAPES (Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal
de Ensino Superior).
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