Otimização da produção de Goma Xantana: cultivo em biorreator, modelagem e análise de operabilidade

dc.contributor.advisor-co1Silva, Adilson José da
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3447469350644179
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-3362-6208
dc.contributor.advisor1Horta, Antonio Carlos Luperni
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5923938048634505
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-3042-0351
dc.contributor.authorOliveira, Davi Benedito
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/0403958118014255
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0003-1395-9272
dc.date.accessioned2025-07-11T13:38:30Z
dc.date.issued2025-04-25
dc.description.abstractXanthomonas, a genus of phytopathogenic bacteria, is renowned for producing xanthan gum, a highly viscous biopolymer with diverse industrial applications. Our research group recently engineered a strain that boosts xanthan gum productivity by 50% compared to the wild type. High-viscosity broths often hinder mass transfer and oxygen supply in aerobic cultures. While previous studies have tackled these challenges through advanced aeration and mixing strategies, our approach takes a different path. The hypothesis proposes that the implementation of a controlled continuous cultivation system designed to keep viscosity within an optimal range would ensure unobstructed medium mixing and maintain adequate oxygen transfer. To realize this strategy, a kinetic model was developed capturing biomass growth, product formation, and substrate and oxygen consumption. Existing models from the literature were adapted to fit our experimental data from bench-scale bioreactors. The final model is supported by a neural network trained on our viscosity measurements to predict how viscosity evolves as xanthan gum accumulates. This combined framework supports simulations of batch, fed-batch, and continuous processes, offering versatile tools for process design and optimization. The system was validated with batch cultures in 1.5 L and 6 L bioreactors, and an operability study was conducted under continuous conditions. These experiments identified process parameters that sustain optimal viscosity and maximize oxygen transfer. Ultimately, the approach delivered a 220% productivity increase over standard batch processes, far exceeding initial expectations.eng
dc.description.resumoXanthomonas é um gênero de bactérias fitopatogênicas muito conhecido pela síntese de um biopolímero altamente viscoso e com diversas aplicações na indústria, chamado de goma xantana. Recentemente nosso grupo de pesquisa desenvolveu uma linhagem para produção desse composto com produtividade superior a 50% comparada com a sua linhagem parental. Diante de uma produção com características de alta viscosidade do caldo, problemas de transferência de massa e fornecimento de oxigênio podem ocorrer, o que para um cultivo aeróbio se torna um grande desafio tecnológico. Apesar de esforços já terem sido reportados na literatura focando nessa problemática, este trabalho vem apresentar uma nova abordagem como solução a esse problema. A hipótese levantada consiste na aplicação de um sistema de cultivo contínuo controlado capaz de realizar a manutenção da viscosidade em uma região ótima, ou seja, que não interfira na correta mistura do meio e mantenha condições viáveis para transferência de oxigênio. A estratégia se baseia no desenvolvimento de um modelo cinético que descreva a formação de biomassa e produto, e o consumo de substrato e oxigênio, usando como apoio uma rede neural treinada para prever a evolução da viscosidade em função do produto acumulado. O modelo elaborado foi desenvolvido a partir da adaptação de modelos pré-existentes na literatura focando em descrever os dados coletados experimentalmente em diferentes biorreatores de bancada. Além disso, o modelo permite que sejam feitas simulações de cultivos em batelada, batelada alimentada e contínuo. O levantamento de dados se deu através de cultivos em batelada realizados em birreatores de 1,5 e 6 L. Estudos de “Operabilidade” do sistema sugerido foram realizados e indicaram com sucesso as condições operacionais para a processo. Os resultados experimentais ultrapassaram as expectativas, atingindo um aumento de 220% em produtividade quando comparado às bateladas padrões.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipIdProcesso 141073/2021-7, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipIdProcesso 88887.717050/2022-00, Programa Institucional de Internacionalização (PrInt), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.identifier.citationOLIVEIRA, Davi Benedito. Otimização da produção de Goma Xantana: cultivo em biorreator, modelagem e análise de operabilidade. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22303.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/22303
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.rightsAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
dc.subjectXanthomonas
dc.subjectCinética
dc.subjectBioprocessos
dc.subjectBiopolímero
dc.subjectAlta viscosidade
dc.subjectKineticseng
dc.subjectBiopolymereng
dc.subjectHigh viscosityeng
dc.subjectBioprocesseng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA::MODELAGEM DE SISTEMAS BIOLOGICOS
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
dc.titleOtimização da produção de Goma Xantana: cultivo em biorreator, modelagem e análise de operabilidade
dc.title.alternativeOptimization of Xanthan Gum production: bioreactor cultivation, modeling, and operability analysiseng
dc.typeTese

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