Gerenciando a complexidade da produção microbiana de biocombustíveis com a informática integrada | Analytica 90

Por Barbara van Cann


A produção de biocombustíveis sofreu uma revolução nas últimas décadas. Os processos mais recentes que dependem de micro-organismos geneticamente modificados para quebrar a biomassa estão ajudando a produzir uma vasta gama de combustíveis de forma mais eficiente a partir de um conjunto de matérias-primas mais amplo.

Veja, por exemplo, o butanol. É um biocombustível de cadeia superior considerado por alguns como uma alternativa mais adequada a longo prazo ao etanol, que está atualmente na base da indústria de biocombustíveis dos EUA. Suas propriedades físicas mais favoráveis, tais como um teor de energia mais elevado, uma menor solubilidade em água e um potencial para ser usado em proporções de mistura de gasolina mais elevadas, garantem uma série de vantagens em relação ao etanol como um substituto da gasolina.

Vários micro-organismos anaeróbicos, como o Clostridium acetobutylicum, são extremamente conhecidos por produzir álcoois de cadeia superior, como o butanol, enquanto produtos provenientes do metabolismo do açúcar. Entretanto, estes processos se mostraram bastante ineficientes para serem comercialmente viáveis . Os recentes avanços na engenharia metabólica e genética de estirpes da bactéria E. Coli tornaram possível, atualmente, produzir uma vasta gama de biocombustíveis alternativos através de processos altamente otimizados e comercialmente viáveis (1).

Porém, embora os processos de produção de biocombustíveis com base em microbiologia avançada possam ser mais eficientes e fornecer um maior rendimento do produto em comparação com as abordagens convencionais, eles são consideravelmente mais difíceis de gerenciar. Os desafios adicionais que os processos de microbiologia avançada apresentam em relação ao controle de qualidade, à eficiência de produção e conformidade regulatória, atribuem maior importância à informática especializada e ao gerenciamento de dados. Soluções de informática integrada, com base em Sistema de gerenciamento de informações de laboratório (LIMS) e Sistema de dados de cromatografia (CDS), estão ajudando os produtores de biocombustíveis avançados a gerenciar esta complexidade e a garantir processos fiáveis, seguros e eficientes.

Mais dados, menos tempo de inatividade

Enquanto as fermentações baseadas na levedura usadas para produzir etanol a partir de estoques de matérias-primas de primeira geração exigiam relativamente pouco em relação ao monitoramento de reação, os micro-organismos geneticamente modificados usados nos atuais processos de produção de biocombustíveis avançados são muito mais sensíveis a fatores ambientais. As toxinas presentes nas matérias-primas, ou aquelas geradas durante o pré-tratamento da biomassa, podem inibir a fermentação, limitando, portanto, a eficiência do processo. Até mesmo variações na temperatura ou no pH podem potencialmente matar as bactérias, causando a interrupção da produção.

Para minimizar estes riscos, os produtores de biocombustíveis dependem de um conjunto de tecnologias analíticas de alto desempenho, tais como a espectroscopia de infravermelho próximo (NIR), cromatografia gasosa (GC), cromatografia iônica (IC), cromatografia líquida (LC) com detecção por aerossol carregado (CAD) ou espectrometria de massa (MS) e a espectrometria de massa por plasma acoplado indutivamente (ICP-MS), para realizar verificações de qualidade ao longo da produção de biocombustíveis, desde o monitoramento da fermentação e da caracterização da matéria-prima até o controle de qualidade do produto final.

No entanto, este intenso controle do processo produz dados em grande escala. Quando bem gerenciados, estes dados possuem o potencial para agilizar processos, assegurar a qualidade e garantir uma produção rentável. Se mal gerenciados, eles podem nem mesmo existir.

Muitas instalações estão agora utilizando LIMS e CDS integrados para coletar e gerenciar estes dados a fim de garantir processos otimizados. As plataformas LIMS que empregam recursos estatísticos de controle de qualidade, por exemplo, aplicam algoritmos avançados para identificar e notificar os gerentes de laboratório a respeito de resultados não abrangidos pelos limites aceitáveis. Os problemas de qualidade podem, portanto, ser detectados a tempo, tornando possível interromper os processos antes da contaminação de outros lotes.

Certamente, com processos de produção sendo executados a todo momento, uma das principais prioridades é garantir os maiores índices de tempo de atividade do instrumento. Para que isso aconteça, é necessário realizar manutenções adequadas e oportunas: um instrumento insatisfatório pode comprometer a confiabilidade dos dados de medição e, consequentemente, a qualidade do produto final. Um instrumento defeituoso pode até causar a interrupção total do processo, gerando perdas associadas de tempo e recursos.

As falhas de instrumentos são normalmente um resultado de um declínio gradual no desempenho. Embora os sinais de aviso sejam sutis, eles podem ser detectados. Quando analisados e apresentados pela tendência, os dados, tais como as medições de referência, as contagens de área e os tempos de retenção, podem ser usados para avaliar o estado geral do instrumento. O CDS e o LIMS possuem recursos para monitorar o desempenho do equipamento para, desta forma, planejar o tempo de inatividade como parte de um plano de manutenção regular. Além disso, algumas plataformas CDS permitem operar o instrumento independentemente da rede, garantindo a execução contínua das sequências analíticas e a acessibilidade dos dados para processamento mesmo durante eventos inesperados, como interrupções de rede.

Processos sólidos produzem resultados confiáveis

Os produtores de biocombustíveis estão sujeitos a uma série de regulamentações e requisitos de controle de qualidade, incluindo aqueles implementados pela ASTM International e pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA), para garantir a qualidade e segurança do combustível. Veja, por exemplo, a ASTM D7862 – uma especificação que define métodos de teste e requisitos de desempenho para a mistura de butanol com gasolina em níveis de 1–12,5%. O teor de água, a acidez, os níveis de cloreto inorgânico, o enxofre e o sulfato devem ser todos monitorados. Desta forma, é necessária uma série de técnicas analíticas, cada uma com o seu próprio procedimento de operação padrão (SOP).

Essas análises podem ser desafiadoras, uma vez que envolvem amostras complexas e demoradas e uma preparação de calibração padrão. As inconsistências na implementação dos SOPs nesses testes podem comprometer a qualidade dos dados e colocar em risco a conformidade regulatória, resultando, possivelmente, em atrasos dispendiosos e, até mesmo, em danos à reputação. Portanto, é essencial que esses testes sejam sempre realizados corretamente.

Além disso, cada uma dessas técnicas analíticas pode exigir seu próprio pacote de software, conferindo maior complexidade em termos de formação de analistas. Porém, com um sistema automatizado executando um LIMS e CDS capazes de lidar com múltiplas técnicas de cromatografia a partir de diferentes fornecedores e incluindo recursos de MS quantitativa, essa complexidade pode ser significativamente reduzida.

Para realizar quantificações de cloreto via IC, por exemplo, com todos os parâmetros de método relevantes para um protocolo de cromatografia armazenado em um LIMS, um CDS com um sistema de execução integrado pode baixar o protocolo e iniciar a sequência analítica. Isso não somente economiza tempo, como também garante que cada análise cumpra os requisitos do SOP. Além disso, quando houver a necessidade de realizar novos métodos ou modificações para um conjunto de SOPs, um LIMS pode efetuar este processo com maior rapidez e conveniência.

Alguns CDSs proporcionam um nível superior de automação, reduzindo, consequentemente, o tempo das etapas de processamento e análise de dados. Um CDS com parâmetros de controle de execução inteligentes pode aumentar a eficiência do processo ao adotar ações predefinidas com base em critérios de aprovação ou reprovação. Desta forma, o software pode, por exemplo, instruir o instrumento a reinjetar amostras, executar uma diluição ou cancelar uma execução, sem precisar da intervenção do usuário. Esses sistemas ajudam a minimizar a necessidade de repetir medições manualmente, aumentando cada vez mais a produtividade e a eficiência.

À medida que a indústria continua a evoluir e os novos processos dependentes da microbiologia sensitiva se tornam a norma, é provável que a supervisão regulamentar aumente. Para cumprir estes requisitos, os produtores de biocombustíveis provavelmente deverão demonstrar que os seus processos, assim como os seus produtos, estão em total conformidade com as especificações relevantes.

As plataformas LIMS e CDS integradas podem ajudar os operadores a obter informações associadas a um processo de produção específico com apenas um clique. Muitos CDSs podem gerar automaticamente uma trilha de auditoria detalhada de todas as ações do usuário, juntamente com todos os dados e condições da série de cromatogramas. Diretamente integrados com um LIMS, os usuários podem recuperar de forma prática todas as informações no formato correto, garantindo, assim, os mais altos níveis de perfeição e integridade dos dados.

Conclusão

Para gerenciar a complexidade dos atuais processos de produção de biocombustíveis, que atribuem uma maior importância ao monitoramento ambiental e ao controle de qualidade, os métodos usados para a coleta, análise e armazenamento de dados devem ser eficientes e fiáveis. As soluções de informática integrada, incluindo software LIMS e CDS, podem ajudar os produtores de biocombustíveis das próximas gerações a enfrentar estes desafios e a garantir que os biocombustíveis avançados tenham um futuro rentável.

  • Koppolu V and Vasigala VKR, Role of Escherichia coli in Biofuel Production, Microbiology Insights, 2016, DOI: 10.4137/MBI.S10878

Barbara van Cann, especialista em produtos, software de cromatografia, Thermo Fisher Scientific


 

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