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Engenharia Química ·
Bioquímica
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BIORREATORES O que são biorreatores Biorreatores são reatores químicos nos quais ocorrem uma série de reações químicas catalisadas por biocatalisadores Enzimas Células vivas Animal Vegetal Microbiana Funções As principais funções de um Biorreator Disponibilizar um meio nutriente asséptico adequado às células crescerem e produzirem Homogeneizar o caldo fermentativo de forma a fornecer um meio de crescimento e produção ótimo para todas as células Disponibilizar uma transferência de massa eficiente gáslíquido em termos de oxigênio Taxa de transferência de oxigênio Garantir uma eficiente remoção de calor Capacidade A capacidade de um biorreator é bastante variável sendo dependente do processo em questão 1 a 2 m3 cultivo de patogênico ou células animais ou vegetais Normalmente para a produção de substâncias ligadas à saúde 100 a 200 m3 enzimas vitaminas Acima de 1000 m3 processos que exigem pouca assepsia como fermentação alcoólica e tratamento biológico de resíduos Classificação Grupo 1 Biorreatores nos quais as reações ocorrem na ausência de células vivas ou seja são tipicamente os reatores enzimáticos Grupo 2 Biorreatores nos quais as reações se processam na presença de células vivas I Quanto ao tipo de biocatalisador células ou enzimas II Quanto à configuração do biocatalisador célulasenzimas livres ou imobilizadas III Quanto à forma de se agitar o líquido no reator agitação mecânica e pneumática Classificação Reatores em fase aquosa submersa Reatores em fase nãoaquosa semisólida CélulasEnzimas Imobilizadas Agitados Mecanicamente Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Leito Fixo Leito Fluidizado Membranas planas Fibra oca CélulasEnzimas Confinadas Estático Bandejas Agitado Rotatório Leito Fixo Leito Fluidizado gássólido CélulasEnzimas Livres Classificação Quanto à configuração do biocatalisador célulasenzimas livres ou imobilizadas 1 Reatores em fase aquosa fermentação submersa 11 Célulasenzimas livres Reatores agitados mecanicarnente STR stirred tank reactor Reatores agitados pneumaticamente Coluna de bolhas bubble colurnn Reatores airlift Reatores de fluxo pistonado plugflow 12 Célulasenzimas imobilizadas em suportes Reatores com leito fixo Reatores com leito fluidizado Outras concepções 13 Célulasenzimas confinadas entre membranas Reatores com membranas planas Reatores de fibra oca hollowfiber 2 Reatores em fase nãoaquosa fermentação semisólida Reatores estáticos reatores com bandejas Reatores com agitação tambor rotativo Reatores com leito fixo Reatores com leito fluidizado gás sólido Tipos de biorreatores a STR b Coluna de bolhas c Airlift Tipos de biorreatores d plugflow e Leito fixo f Leito fluidizado g Reator com membranas Planas h hollowfibber Um biorreator do tipo STR consiste em um vaso cilíndrico sendo comuns relações entre a altura H e o diâmetro D de 11 21 ou 31 Normalmente é equipado com Chicanas com largura 01D O agitador é montado no eixo central podendo possuir ao longo de sua altura uma série de turbinas as quais podem ser de diferentes tipos Tipos de biorreatores STR Agitadores de fluxo radial Turbina RUSHTONflat blade Agitadores de fluxo axial Tipos de biorreatores STR Funções da agitação Homogeneizar o meio Dispersar os gases no líquido diminuir o tamanho das bolhas e melhorar a transferência de oxigênio Tipos de biorreatores STR Os reatores agitados pneumaticamente se caracterizam basicamente pela ausência de agitador mecânico sendo o líquido agitado pelo borbulhamento de gás normalmente ar Apresentam menor tensão de cisalhamento o que torna atraente para o cultivo de células animais e vegetais A diferença básica entre o reator coluna de bolhas e AirLift é que este último tem movimentação cíclica do líquido bem ordenado e o primeiro apresenta movimentação aleatória Coluna de bolhas Airlift Tipos de biorreatores Coluna de bolhas e airlift Agitação pneumática Nos reatores de fluxo pistonado plugflow o inóculo e o meio são misturados na entrada do sistema sendo que a cultura flui com uma velocidade constante e em regime laminar sem ocorrer mistura longitudinal backmix Há portanto uma variação da concentração de nutrientes células e produto ao longo do comprimento do reator Tipos de biorreatores Plugflow Reatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado em suporte inerte como por exemplo Pectina materiais cerâmicos vidro sílica etc Tem o objetivo de manter elevadas concentrações celulares consequentemente elevadas produtividades Tipos de biorreatores Leito fixo e fludizado Nos reatores de leito fixo não há movimentação da partícula pellets nas quais o biocatalisador está imobilizado Nos reatores de leito fluidizado as partículas pellets nas quais o biocatalisador está imobilizado se movimentam intensamente A fluidização do leito pode ser realizada por Injeção de ar Gás inerte Corrente de recirculação do líquido no reator Os reatores de células confinadas caracterizamse por manterem as células entre membranas semipermeáveis Permitem o fluxo do líquido mas não das células Normalmente eles apresentam separação entre os fluxos de nutrientes e produtos o que contribui para as etapas de purificação de produtos Nestes reatores as tensões de cisalhamentos são mínimas menores do que airlift Sendo assim indicados para células muito sensíveis Tipos de biorreatores membrana planas e fibra oca Os reatores de fase nãoaquosa fermentação semisólida se caracterizam pela ausência de água livre 30 a 80 de umidade Tipos de biorreatores reator fase sólida Os reatores tipo tambor rotativo apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação Tipos de biorreatores fase semisólida tambor rotativo Formas de condução de um processo fermentativo Descontínuo com um inóculo por tanque com recirculação de células Semicontínuo sem recirculação de células com recirculação de células Descontínuo alimentado sem recirculação de células com recirculação de células Contínuo executado em um reator com ou sem recirculação de células executado em vários reatores com ou sem recirculação de células Fermentação descontínua ou batelada Fermentação descontínua Conhecidos como fermentação por BATELADA São os processos mais empregados para obtenção de produtos fermentados Iogurte cerveja vinho Modo de operação Todos os nutrientes são adicionados ao biorreator antes do início do processo exceto O2 e outros produtos químicos necessários para controle de pH e espuma Adição de O2 antiespumante ácido ou base Volume constante no decorrer do processo Descrição do processo No instante inicial a solução de nutriente esterilizada no fermentador é inoculada com microrganismos e incubada de modo a permitir que a fermentação ocorra sob condições ótimas No decorrer do processo fermentativo nada é adicionado exceto oxigênio no caso de processos aeróbicos antiespumante e ácido ou base para controle do pH Terminada a fermentação descarregase a dorna e o meio fermentado segue para tratamentos finais Como sequência devese lavar a dorna esterilizála e recarregála com mosto e inóculo Fermentação descontínua VANTAGENS Menores riscos de contaminação Grande flexibilidade de operação Controle mais rigoroso da estabilidade genética do microrganismo Capacidade de identificar todos os materiais relacionados quando se está desenvolvendo um lote de produto vital para a indústria farmacêutica DESVANTAGENS Pode levar a baixos rendimentos eou produtividades quando o substrato adicionado de uma só vez no início da fermentação exerce efeitos de inibição ou desvia o metabolismo para produtos que não interessam Apresenta tempomorto carga e descarga do reator lavagem e esterilização Fermentação descontínua Cultura estoque Meio sólido Meio líquido esterilizado Agitação exigência de aeração Transferências realizadas de forma asséptica Fase log Fermentação descontínua Inóculo Meio de cultura em nível industrial Propiciar o desenvolvimento celular e favorecer a formação do produto de interesse Composição deve levar em conta a composição celular o requerimento energético e a necessidade de substâncias específicas ELEMENTO PERCENTUAL DA CÉLULA Carbono 50 Nitrogênio 712 Fósforo 13 Enxofre 0510 Magnésio 05 Fermentação descontínua Mosto Uma dorna um inóculo Poucos riscos de contaminação Recirculação de microrganismos Reaproveitamento do inóculo Separação feita por sedimentação do microrganismo ou centrifugação Tratamento para evitar a contaminação ácido sulfúrico e água Fermentação descontínua Classificação Processo por meio de cortes Iniciase o trabalho inoculando uma dorna que é chamada de dorna A com um inóculo quando a fermentação atinge um estágio apropriado passase parte do conteúdo do fermentador A para um fermentador vazio dorna B e em seguida enchemse as duas dornas com meio a fermentar Essa operação recebe o nome de corte Dizse que a dorna A foi cortada para a dorna B ou ainda que a dorna B recebeu um corte de A Tendo em vista o alto custo de um fermentador bem como o espaço que ocupa é necessário para uma empresa determinar o número de fermentadores que necessita para produzir o que deseja BORZAN sugeriu uma metodologia para o cálculo do número de fermentadores a qual pode ser utilizada como caminho para se chegar ao número ideal de fermentadores numa empresa que trabalha com processo descontínuo e que será transcrita a seguir Fermentação descontínua Número de dornas Consideremos uma instalação de fermentação funcionando por processo descontínuo que deva fornecer de maneira ininterrupta líquido fermentado ao setor encarregado dos tratamentos finais Os seguintes dados são fornecidos F vazão média de líquido fermentado que deve ser fornecido ininterruptamente ao setor de tratamentos finais tf tempo necessário para que o conteúdo de uma dorna fermente completamente V capacidade útil de cada dorna D número de domas de capacidade útil V necessário para garantir a vazão F de líquido fermentado td tempo necessário para se descarregar uma dorna tc tempo necessário para se limpar e carregar uma dorna Fermentação descontínua Número de dornas Se indicarmos como M a massa de produto final que interessa produzir em um tempo t com r o rendimento dos tratamentos finais e com C a concentração de produto final no líquido fermentado teremos O valor médio de tf por sua vez depende do processo de fermentação enquanto que o tempo de descarga td pode ser calculado por Quando se pretende no dimensionamento de uma instalação calcular o número de domas tomase como ponto de partida Início do preparo da dorna Fim da carga Fim da fermentação Fim da descarga Fermentação descontínua Número de dornas Fermentação descontínua Número de dornas Deverá existir um intervalo de tempo td separando o início de funcionamento de duas dornas consecutivas Nessas condições tomandose convencionalmente como instante zero o início de trabalho da dorna número 1 a dorna D deverá começar a funcionar no instante D1td Por outro lado a dorna D deverá iniciar seu funcionamento no instante td tf Logo podemos escrever Esta expressão que nos permite calcular o número de domas desde que conheçamos F V e tf Fermentação descontínua alimentada Fermentação descontínua alimentada Conhecido como processo descontínuo alimentado processo por batelada alimentada ou fermentação descontínua alimentada Modo de operação um ou mais nutrientes incluindo substrato ou mesmo todos os nutrientes são adicionados gradualmente durante o processo de fermentação e os produtos formados permanecem no meio até o tempo final Características principais O volume varia durante o decorrer da fermentação embora possa ser pequena variação em alguns casos Alimentação contínua de nutrientes A vazão de alimentação pode ser constante ou variável É possível controlar a concentração de substrato na fermentação podendo assim interferir no metabolismo microbiano levando a diferentes perfis de concentração não só de substrato mas também de células e produto Fermentação descontínua alimentada Finalidades Minimizar a repressão catabólica ou os efeitos do controle do metabolismo celular Exemplos produção de determinados antibióticos como neomicina estreptomicina bacitracina sofrem repressão pela presença de glicose em concentrações mais elevadas Prevenir a inibição por substrato Exemplos concentração de glicose superiores a 100 gL podem causar inibição em fermentação alcoólica com Saccharomyces cerevisiae Minimizar a formação de produtos metabólicos tóxicos Exemplos para E coli fonte de carbono em excesso mesmo em aerobiose levam a formação de ácido acético inibidor do crescimento Fermentação descontínua alimentada Finalidades Superação de problemas frequentes de estabilidade em processos contínuos Exemplos contaminação mutação espontânea e instabilidade de plasmídeos Adequação do processo fermentativo a condições operacionais Exemplos produção de etanol problemas com formação de espuma e inibição podem ser amenizados com a operação em sistema descontínuo alimentado Estudo cinético de processos fermentativos O processo descontínuo alimentado permite manter baixos níveis de substrato por longos períodos manter a concentração celular constante Fermentação descontínua alimentada Fermentação descontínua alimentada Aplicações Produção de leveduras Produção de glicerol acetona butanol ácido lático e outros Melhor controle do processo Utilização mais eficiente dos componentes do meio Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos A Modelo para células Temse que a velocidade de variação de massa de células no reator corresponde à massa celular formada decorrente do crescimento microbiano Algebricamente Onde 𝑑𝑉 𝑑𝑡 𝐹 Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos A Modelo para células Considerando que a variação de volume na doma devese exclusivamente à alimentação Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos B Modelo para o substrato A velocidade de variação da massa de substrato no fermentador corresponde à diferença entre a massa de substrato adicionada por tempo e a utilizada para o crescimento celular Pode ser representada pela expressão Considerando que a variação de volume na dorna devese exclusivamente à alimentação Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos B Modelo para o substrato Sabendo que 𝑦𝑥𝑠 Τ 𝑟𝑥 𝑟𝑠 chegase a Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos C Modelo para o produto A velocidade de variação de massa de produto no fermentador depende da massa que é formada devido ao metabolismo microbiano Ou seja Considerando que a variação de volume na doma devese exclusivamente à alimentação temse Onde 𝜇𝑝 𝑥 𝑟𝑝 Fermentação contínua Conceitos Modo de operação adição de meio de cultura e remoção de caldo fermentado a vazões constantes mantendo constante o volume de fermentação A manutenção de volume constante de líquido no reator é de primordial importância a fim de que o sistema atinja a condição de estado estacionário ou regime permanente condição na qual as variáveis de estado concentração de células de substrato limitante e de produto permanecem constantes ao longo do tempo de operação do sistema Conceitos Manutenção de v constante Sistema de retirada de líquido por transbordamento ladrão Bombas de alta vazão sistema automatizado Uso de antiespumantes Vantagens do processo contínuo em relação ao descontínuo Aumento da produtividade do processo em virtude de uma redução dos tempos mortos ou nãoprodutivos Obtenção de caldo fermentado uniforme o que facilita o projeto das operações de recuperação do produto de interesse downstream Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico o que torna o processo contínuo uma excelente ferramenta para estudos de mecanismos de regulação metabólica ou ainda para estudos de otimização da composição do meio de cultura Possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha de produção Maior facilidade no emprego de controles avançados menor necessidade de mãodeobra Desvantagens do processo contínuo em relação ao descontínuo Maior investimento inicial na planta Possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas resultando na seleção de mutantes menos produtivos Maior possibilidade de ocorrência de contaminações por se tratar de um sistema essencialmente aberto necessitando pois de manutenção de condições de assepsia nos sistemas de alimentação e retirada de meio desde que o processo assim o exija Dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator quando se trabalha com baixas vazões ou quando o caldo adquire comportamento pseudoplástico como é o caso do cultivo de fungos filamentosos Dificuldades de operação em estado estacionário em determinadas situações formação de espuma crescimento do microrganismo nas paredes do reator ou ainda nos sistemas de entrada e saída de líquido Formas de operação O processo de fermentação contínua normalmente tem início em um processo descontínuo ou seja carregase inicialmente o reator com meio de cultura procedese à inoculação com o microrganismo responsável pela conversão sendo que após algum período de operação descontínua iniciase a alimentação de meio de cultura e retirada de caldo dandose início efetivamente ao processo contínuo Dependendo do instante em que se inicie o processo contínuo propriamente dito bem como da vazão de alimentação empregada o sistema poderá convergir com maior ou menor rapidez à situação de estado estacionário Assim recomendase usualmente que se inicie a alimentação com o cultivo em fase exponencial e contendo uma concentração celular a mais elevada possível Formas de operação Único estágio Múltiplos estágios Processo contínuo Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação com ou sem reciclo de células Com múltiplas alimentações com ou sem reciclo de células Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Fermentação contínua em um único estágio sem recirculação de células O meio de cultura contendo o substrato limitante em uma determinada concentração é alimentado a uma vazão constante Admitese agitação perfeita de forma que o reator possa ser considerado como homogêneo Admitese que cada porção de meio alimentada no reator seja instantaneamente misturada no volume de reação de forma que o líquido efluente possuirá as mesmas concentrações de células substrato e produto que aquelas existentes no meio de reação Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para células Considerandose volume constante temse 𝑑𝑋 𝑑𝑡 𝑟𝑥 𝜇 𝑋 Geração 𝑟𝑥 𝑉 Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para células Dividindo os termos pelo volume surge a vazão específica de alimentação D dilution rate como sendo a relação entre a vazão volumétrica de alimentação e o volume de meio no reator Assim temse que Como frequentemente se procede à alimentação de meio de cultura esterilizado temse normalmente Xo 0 Assim temse 0 A concentração celular se mantém constante graças a um equilíbrio entre a velocidade de crescimento celular e a velocidade de retirada de células do fermentador e ainda que a velocidade específica de crescimento é igual à vazão específica de alimentação D Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para substrato Balanço de massa para produto 𝑌𝑋𝑆 𝑟𝑥 𝑟𝑠 𝜇𝑥 𝜇𝑆 𝑟𝑆 Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para substrato Considerando dSdt 0 temse Fazendose μ D obtémse a expressão O modelo cinético de MONOD é o mais amplamente empregado adequandose para um grande número de processos fermentativos Por essa razão é de grande interesse obterse as curvas de X e S em estado estacionário quando se considera válido o modelo de Monod dado pela equação Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Fazendose μ D e isolandose S obtémse Substituindo em temse A produtividade em células no sistema contínuo sem reciclo de células é dada por Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Análise gráfica Quando μmax D temse estado estacionário de lavagem washout situação na qual ocorre um arraste das células do reator Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células O valor da vazão específica de alimentação no qual se tem a máxima velocidade específica de crescimento é denominado D críticoDc Assim a condição de lavagem do reator permite estabelecer a faixa de operação do reator contínuo que no caso do reator ideal sem reciclo de células está entre zero e μmax obedecendose portanto à condição D Dc Balanço considerando decaimento e manutenção celular No desenvolvimento apresentado no item anterior considerouse um reator contínuo ideal sem levar em consideração o consumo de substrato para manutenção bem como sem considerar a possível ocorrência de decaimento celular seja como consequência do metabolismo endógeno ou ainda resultante de lise celular Assim as equações de balanço material para o microrganismo e para o substrato limitante adquirem o seguinte formato Considerando estado estacionário e admitindose válida a cinética de Monod 𝜇 Sistema contínuo com reciclo de células Objetivos Obtenção de alta densidade celular no reator aumentandose assim consideravelmente as velocidades Aumento da produtividade do processo O reciclo de células pode ser interno ou externo ao reator Recirculação interna as células são mantida no reator seja através de uma simples sedimentação ou através do emprego de um filtro na saída de líquido do reator Recirculação externa o líquido efluente circula através de um separador de células sedimentador centrífuga ou sistema de filtração por membranas de maneira que uma corrente concentrada em células retorna ao fermentador enquanto uma outra filtrado ou permeado sai praticamente isenta de células Sistema contínuo com reciclo de células Sistema com reciclo interno Assim podese escrever a seguinte equação de balanço material para o microrganismo no fermentador considerandose X0 0 Geração Purga Saída Filtrado Sistema contínuo com reciclo de células Dividindo a equação pelo volume de meio no reator V 0 Não é mais válida a igualdade entre μ e D como no sistema sem reciclo D onde ocorrerá a lavagem c Fração de líquido removido diretamente da purga h retenção de células entre 0 e 1 0 retenção total no filtro 1 retenção nula sem reciclo Significa na prática uma ampliação na faixa de operação da vazão específica de alimentação podendo se operar com valores de D superiores a μmax Sistema contínuo com reciclo de células considerandose válida a cinética de Monod obtémse em estado estacionário A concentração celular no sistema com reciclo é aproximadamente igual à do sistema sem reciclo multiplicada pelo fator 1 A Produtividade em células verificase que para valores de D inferiores a μmax a produtividade no sistema com reciclo é praticamente igual à do sistema sem reciclo Para valores de D superiores a μmax verificamse elevadas produtividades no sistema com reciclo enquanto que se observam valores nulos no sistema sem reciclo devido à ocorrência de lavagem de células Sistema contínuo com reciclo de células Sistema contínuo com reciclo de células Sistema com reciclo externo Sistema contínuo com reciclo de células Balanço material para as células considerandose o reator como volume de controle obtémse Dividindo por V Sistema contínuo com reciclo de células Em estado estacionário temse As equações acima são análogas ao do sistema contínuo com reciclo interno de células sendo que formalmente temse a variável B em vez de A O comportamento de X S e Px em estado estacionário em função da vazão específica de alimentação é o mesmo do sistema com reciclo interno Formação de produtos no sistema contínuo Será abordada a formação de produtos no sistema contínuo sem reciclo de células considerandose a classificação de GADEN com equacionamento correlacionando as velocidades específicas de crescimento μ e de produção μp conforme proposto originalmente por LUEDEKING e PIRET como especificamos a seguir Produção associada ao crescimento Produção nãoassociada ao crescimento Produção parcialmente associada Onde α gg e β ggh são considerados constantes do processo Formação de produtos no sistema contínuo Considerando estado estacionário e P0 0 A produtividade deste produto será dada por Lembrando que μ D obtêmse as seguintes expressões para a concentração do produto P e a sua produtividade DP em estado estacionário em função de D Produção associada ao crescimento Formação de produtos no sistema contínuo Produção não associada ao crescimento Produção parcialmente associada ao crescimento Onde P é a concentração de produto e DP é a produtividade
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BIORREATORES O que são biorreatores Biorreatores são reatores químicos nos quais ocorrem uma série de reações químicas catalisadas por biocatalisadores Enzimas Células vivas Animal Vegetal Microbiana Funções As principais funções de um Biorreator Disponibilizar um meio nutriente asséptico adequado às células crescerem e produzirem Homogeneizar o caldo fermentativo de forma a fornecer um meio de crescimento e produção ótimo para todas as células Disponibilizar uma transferência de massa eficiente gáslíquido em termos de oxigênio Taxa de transferência de oxigênio Garantir uma eficiente remoção de calor Capacidade A capacidade de um biorreator é bastante variável sendo dependente do processo em questão 1 a 2 m3 cultivo de patogênico ou células animais ou vegetais Normalmente para a produção de substâncias ligadas à saúde 100 a 200 m3 enzimas vitaminas Acima de 1000 m3 processos que exigem pouca assepsia como fermentação alcoólica e tratamento biológico de resíduos Classificação Grupo 1 Biorreatores nos quais as reações ocorrem na ausência de células vivas ou seja são tipicamente os reatores enzimáticos Grupo 2 Biorreatores nos quais as reações se processam na presença de células vivas I Quanto ao tipo de biocatalisador células ou enzimas II Quanto à configuração do biocatalisador célulasenzimas livres ou imobilizadas III Quanto à forma de se agitar o líquido no reator agitação mecânica e pneumática Classificação Reatores em fase aquosa submersa Reatores em fase nãoaquosa semisólida CélulasEnzimas Imobilizadas Agitados Mecanicamente Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Leito Fixo Leito Fluidizado Membranas planas Fibra oca CélulasEnzimas Confinadas Estático Bandejas Agitado Rotatório Leito Fixo Leito Fluidizado gássólido CélulasEnzimas Livres Classificação Quanto à configuração do biocatalisador célulasenzimas livres ou imobilizadas 1 Reatores em fase aquosa fermentação submersa 11 Célulasenzimas livres Reatores agitados mecanicarnente STR stirred tank reactor Reatores agitados pneumaticamente Coluna de bolhas bubble colurnn Reatores airlift Reatores de fluxo pistonado plugflow 12 Célulasenzimas imobilizadas em suportes Reatores com leito fixo Reatores com leito fluidizado Outras concepções 13 Célulasenzimas confinadas entre membranas Reatores com membranas planas Reatores de fibra oca hollowfiber 2 Reatores em fase nãoaquosa fermentação semisólida Reatores estáticos reatores com bandejas Reatores com agitação tambor rotativo Reatores com leito fixo Reatores com leito fluidizado gás sólido Tipos de biorreatores a STR b Coluna de bolhas c Airlift Tipos de biorreatores d plugflow e Leito fixo f Leito fluidizado g Reator com membranas Planas h hollowfibber Um biorreator do tipo STR consiste em um vaso cilíndrico sendo comuns relações entre a altura H e o diâmetro D de 11 21 ou 31 Normalmente é equipado com Chicanas com largura 01D O agitador é montado no eixo central podendo possuir ao longo de sua altura uma série de turbinas as quais podem ser de diferentes tipos Tipos de biorreatores STR Agitadores de fluxo radial Turbina RUSHTONflat blade Agitadores de fluxo axial Tipos de biorreatores STR Funções da agitação Homogeneizar o meio Dispersar os gases no líquido diminuir o tamanho das bolhas e melhorar a transferência de oxigênio Tipos de biorreatores STR Os reatores agitados pneumaticamente se caracterizam basicamente pela ausência de agitador mecânico sendo o líquido agitado pelo borbulhamento de gás normalmente ar Apresentam menor tensão de cisalhamento o que torna atraente para o cultivo de células animais e vegetais A diferença básica entre o reator coluna de bolhas e AirLift é que este último tem movimentação cíclica do líquido bem ordenado e o primeiro apresenta movimentação aleatória Coluna de bolhas Airlift Tipos de biorreatores Coluna de bolhas e airlift Agitação pneumática Nos reatores de fluxo pistonado plugflow o inóculo e o meio são misturados na entrada do sistema sendo que a cultura flui com uma velocidade constante e em regime laminar sem ocorrer mistura longitudinal backmix Há portanto uma variação da concentração de nutrientes células e produto ao longo do comprimento do reator Tipos de biorreatores Plugflow Reatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado em suporte inerte como por exemplo Pectina materiais cerâmicos vidro sílica etc Tem o objetivo de manter elevadas concentrações celulares consequentemente elevadas produtividades Tipos de biorreatores Leito fixo e fludizado Nos reatores de leito fixo não há movimentação da partícula pellets nas quais o biocatalisador está imobilizado Nos reatores de leito fluidizado as partículas pellets nas quais o biocatalisador está imobilizado se movimentam intensamente A fluidização do leito pode ser realizada por Injeção de ar Gás inerte Corrente de recirculação do líquido no reator Os reatores de células confinadas caracterizamse por manterem as células entre membranas semipermeáveis Permitem o fluxo do líquido mas não das células Normalmente eles apresentam separação entre os fluxos de nutrientes e produtos o que contribui para as etapas de purificação de produtos Nestes reatores as tensões de cisalhamentos são mínimas menores do que airlift Sendo assim indicados para células muito sensíveis Tipos de biorreatores membrana planas e fibra oca Os reatores de fase nãoaquosa fermentação semisólida se caracterizam pela ausência de água livre 30 a 80 de umidade Tipos de biorreatores reator fase sólida Os reatores tipo tambor rotativo apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação Tipos de biorreatores fase semisólida tambor rotativo Formas de condução de um processo fermentativo Descontínuo com um inóculo por tanque com recirculação de células Semicontínuo sem recirculação de células com recirculação de células Descontínuo alimentado sem recirculação de células com recirculação de células Contínuo executado em um reator com ou sem recirculação de células executado em vários reatores com ou sem recirculação de células Fermentação descontínua ou batelada Fermentação descontínua Conhecidos como fermentação por BATELADA São os processos mais empregados para obtenção de produtos fermentados Iogurte cerveja vinho Modo de operação Todos os nutrientes são adicionados ao biorreator antes do início do processo exceto O2 e outros produtos químicos necessários para controle de pH e espuma Adição de O2 antiespumante ácido ou base Volume constante no decorrer do processo Descrição do processo No instante inicial a solução de nutriente esterilizada no fermentador é inoculada com microrganismos e incubada de modo a permitir que a fermentação ocorra sob condições ótimas No decorrer do processo fermentativo nada é adicionado exceto oxigênio no caso de processos aeróbicos antiespumante e ácido ou base para controle do pH Terminada a fermentação descarregase a dorna e o meio fermentado segue para tratamentos finais Como sequência devese lavar a dorna esterilizála e recarregála com mosto e inóculo Fermentação descontínua VANTAGENS Menores riscos de contaminação Grande flexibilidade de operação Controle mais rigoroso da estabilidade genética do microrganismo Capacidade de identificar todos os materiais relacionados quando se está desenvolvendo um lote de produto vital para a indústria farmacêutica DESVANTAGENS Pode levar a baixos rendimentos eou produtividades quando o substrato adicionado de uma só vez no início da fermentação exerce efeitos de inibição ou desvia o metabolismo para produtos que não interessam Apresenta tempomorto carga e descarga do reator lavagem e esterilização Fermentação descontínua Cultura estoque Meio sólido Meio líquido esterilizado Agitação exigência de aeração Transferências realizadas de forma asséptica Fase log Fermentação descontínua Inóculo Meio de cultura em nível industrial Propiciar o desenvolvimento celular e favorecer a formação do produto de interesse Composição deve levar em conta a composição celular o requerimento energético e a necessidade de substâncias específicas ELEMENTO PERCENTUAL DA CÉLULA Carbono 50 Nitrogênio 712 Fósforo 13 Enxofre 0510 Magnésio 05 Fermentação descontínua Mosto Uma dorna um inóculo Poucos riscos de contaminação Recirculação de microrganismos Reaproveitamento do inóculo Separação feita por sedimentação do microrganismo ou centrifugação Tratamento para evitar a contaminação ácido sulfúrico e água Fermentação descontínua Classificação Processo por meio de cortes Iniciase o trabalho inoculando uma dorna que é chamada de dorna A com um inóculo quando a fermentação atinge um estágio apropriado passase parte do conteúdo do fermentador A para um fermentador vazio dorna B e em seguida enchemse as duas dornas com meio a fermentar Essa operação recebe o nome de corte Dizse que a dorna A foi cortada para a dorna B ou ainda que a dorna B recebeu um corte de A Tendo em vista o alto custo de um fermentador bem como o espaço que ocupa é necessário para uma empresa determinar o número de fermentadores que necessita para produzir o que deseja BORZAN sugeriu uma metodologia para o cálculo do número de fermentadores a qual pode ser utilizada como caminho para se chegar ao número ideal de fermentadores numa empresa que trabalha com processo descontínuo e que será transcrita a seguir Fermentação descontínua Número de dornas Consideremos uma instalação de fermentação funcionando por processo descontínuo que deva fornecer de maneira ininterrupta líquido fermentado ao setor encarregado dos tratamentos finais Os seguintes dados são fornecidos F vazão média de líquido fermentado que deve ser fornecido ininterruptamente ao setor de tratamentos finais tf tempo necessário para que o conteúdo de uma dorna fermente completamente V capacidade útil de cada dorna D número de domas de capacidade útil V necessário para garantir a vazão F de líquido fermentado td tempo necessário para se descarregar uma dorna tc tempo necessário para se limpar e carregar uma dorna Fermentação descontínua Número de dornas Se indicarmos como M a massa de produto final que interessa produzir em um tempo t com r o rendimento dos tratamentos finais e com C a concentração de produto final no líquido fermentado teremos O valor médio de tf por sua vez depende do processo de fermentação enquanto que o tempo de descarga td pode ser calculado por Quando se pretende no dimensionamento de uma instalação calcular o número de domas tomase como ponto de partida Início do preparo da dorna Fim da carga Fim da fermentação Fim da descarga Fermentação descontínua Número de dornas Fermentação descontínua Número de dornas Deverá existir um intervalo de tempo td separando o início de funcionamento de duas dornas consecutivas Nessas condições tomandose convencionalmente como instante zero o início de trabalho da dorna número 1 a dorna D deverá começar a funcionar no instante D1td Por outro lado a dorna D deverá iniciar seu funcionamento no instante td tf Logo podemos escrever Esta expressão que nos permite calcular o número de domas desde que conheçamos F V e tf Fermentação descontínua alimentada Fermentação descontínua alimentada Conhecido como processo descontínuo alimentado processo por batelada alimentada ou fermentação descontínua alimentada Modo de operação um ou mais nutrientes incluindo substrato ou mesmo todos os nutrientes são adicionados gradualmente durante o processo de fermentação e os produtos formados permanecem no meio até o tempo final Características principais O volume varia durante o decorrer da fermentação embora possa ser pequena variação em alguns casos Alimentação contínua de nutrientes A vazão de alimentação pode ser constante ou variável É possível controlar a concentração de substrato na fermentação podendo assim interferir no metabolismo microbiano levando a diferentes perfis de concentração não só de substrato mas também de células e produto Fermentação descontínua alimentada Finalidades Minimizar a repressão catabólica ou os efeitos do controle do metabolismo celular Exemplos produção de determinados antibióticos como neomicina estreptomicina bacitracina sofrem repressão pela presença de glicose em concentrações mais elevadas Prevenir a inibição por substrato Exemplos concentração de glicose superiores a 100 gL podem causar inibição em fermentação alcoólica com Saccharomyces cerevisiae Minimizar a formação de produtos metabólicos tóxicos Exemplos para E coli fonte de carbono em excesso mesmo em aerobiose levam a formação de ácido acético inibidor do crescimento Fermentação descontínua alimentada Finalidades Superação de problemas frequentes de estabilidade em processos contínuos Exemplos contaminação mutação espontânea e instabilidade de plasmídeos Adequação do processo fermentativo a condições operacionais Exemplos produção de etanol problemas com formação de espuma e inibição podem ser amenizados com a operação em sistema descontínuo alimentado Estudo cinético de processos fermentativos O processo descontínuo alimentado permite manter baixos níveis de substrato por longos períodos manter a concentração celular constante Fermentação descontínua alimentada Fermentação descontínua alimentada Aplicações Produção de leveduras Produção de glicerol acetona butanol ácido lático e outros Melhor controle do processo Utilização mais eficiente dos componentes do meio Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos A Modelo para células Temse que a velocidade de variação de massa de células no reator corresponde à massa celular formada decorrente do crescimento microbiano Algebricamente Onde 𝑑𝑉 𝑑𝑡 𝐹 Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos A Modelo para células Considerando que a variação de volume na doma devese exclusivamente à alimentação Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos B Modelo para o substrato A velocidade de variação da massa de substrato no fermentador corresponde à diferença entre a massa de substrato adicionada por tempo e a utilizada para o crescimento celular Pode ser representada pela expressão Considerando que a variação de volume na dorna devese exclusivamente à alimentação Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos B Modelo para o substrato Sabendo que 𝑦𝑥𝑠 Τ 𝑟𝑥 𝑟𝑠 chegase a Fermentação descontínua alimentada Modelos matemáticos C Modelo para o produto A velocidade de variação de massa de produto no fermentador depende da massa que é formada devido ao metabolismo microbiano Ou seja Considerando que a variação de volume na doma devese exclusivamente à alimentação temse Onde 𝜇𝑝 𝑥 𝑟𝑝 Fermentação contínua Conceitos Modo de operação adição de meio de cultura e remoção de caldo fermentado a vazões constantes mantendo constante o volume de fermentação A manutenção de volume constante de líquido no reator é de primordial importância a fim de que o sistema atinja a condição de estado estacionário ou regime permanente condição na qual as variáveis de estado concentração de células de substrato limitante e de produto permanecem constantes ao longo do tempo de operação do sistema Conceitos Manutenção de v constante Sistema de retirada de líquido por transbordamento ladrão Bombas de alta vazão sistema automatizado Uso de antiespumantes Vantagens do processo contínuo em relação ao descontínuo Aumento da produtividade do processo em virtude de uma redução dos tempos mortos ou nãoprodutivos Obtenção de caldo fermentado uniforme o que facilita o projeto das operações de recuperação do produto de interesse downstream Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico o que torna o processo contínuo uma excelente ferramenta para estudos de mecanismos de regulação metabólica ou ainda para estudos de otimização da composição do meio de cultura Possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha de produção Maior facilidade no emprego de controles avançados menor necessidade de mãodeobra Desvantagens do processo contínuo em relação ao descontínuo Maior investimento inicial na planta Possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas resultando na seleção de mutantes menos produtivos Maior possibilidade de ocorrência de contaminações por se tratar de um sistema essencialmente aberto necessitando pois de manutenção de condições de assepsia nos sistemas de alimentação e retirada de meio desde que o processo assim o exija Dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator quando se trabalha com baixas vazões ou quando o caldo adquire comportamento pseudoplástico como é o caso do cultivo de fungos filamentosos Dificuldades de operação em estado estacionário em determinadas situações formação de espuma crescimento do microrganismo nas paredes do reator ou ainda nos sistemas de entrada e saída de líquido Formas de operação O processo de fermentação contínua normalmente tem início em um processo descontínuo ou seja carregase inicialmente o reator com meio de cultura procedese à inoculação com o microrganismo responsável pela conversão sendo que após algum período de operação descontínua iniciase a alimentação de meio de cultura e retirada de caldo dandose início efetivamente ao processo contínuo Dependendo do instante em que se inicie o processo contínuo propriamente dito bem como da vazão de alimentação empregada o sistema poderá convergir com maior ou menor rapidez à situação de estado estacionário Assim recomendase usualmente que se inicie a alimentação com o cultivo em fase exponencial e contendo uma concentração celular a mais elevada possível Formas de operação Único estágio Múltiplos estágios Processo contínuo Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação com ou sem reciclo de células Com múltiplas alimentações com ou sem reciclo de células Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Fermentação contínua em um único estágio sem recirculação de células O meio de cultura contendo o substrato limitante em uma determinada concentração é alimentado a uma vazão constante Admitese agitação perfeita de forma que o reator possa ser considerado como homogêneo Admitese que cada porção de meio alimentada no reator seja instantaneamente misturada no volume de reação de forma que o líquido efluente possuirá as mesmas concentrações de células substrato e produto que aquelas existentes no meio de reação Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para células Considerandose volume constante temse 𝑑𝑋 𝑑𝑡 𝑟𝑥 𝜇 𝑋 Geração 𝑟𝑥 𝑉 Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para células Dividindo os termos pelo volume surge a vazão específica de alimentação D dilution rate como sendo a relação entre a vazão volumétrica de alimentação e o volume de meio no reator Assim temse que Como frequentemente se procede à alimentação de meio de cultura esterilizado temse normalmente Xo 0 Assim temse 0 A concentração celular se mantém constante graças a um equilíbrio entre a velocidade de crescimento celular e a velocidade de retirada de células do fermentador e ainda que a velocidade específica de crescimento é igual à vazão específica de alimentação D Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para substrato Balanço de massa para produto 𝑌𝑋𝑆 𝑟𝑥 𝑟𝑠 𝜇𝑥 𝜇𝑆 𝑟𝑆 Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Balanço de massa para substrato Considerando dSdt 0 temse Fazendose μ D obtémse a expressão O modelo cinético de MONOD é o mais amplamente empregado adequandose para um grande número de processos fermentativos Por essa razão é de grande interesse obterse as curvas de X e S em estado estacionário quando se considera válido o modelo de Monod dado pela equação Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Fazendose μ D e isolandose S obtémse Substituindo em temse A produtividade em células no sistema contínuo sem reciclo de células é dada por Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células Análise gráfica Quando μmax D temse estado estacionário de lavagem washout situação na qual ocorre um arraste das células do reator Equacionamento para o reator contínuo ideal sem reciclo de células O valor da vazão específica de alimentação no qual se tem a máxima velocidade específica de crescimento é denominado D críticoDc Assim a condição de lavagem do reator permite estabelecer a faixa de operação do reator contínuo que no caso do reator ideal sem reciclo de células está entre zero e μmax obedecendose portanto à condição D Dc Balanço considerando decaimento e manutenção celular No desenvolvimento apresentado no item anterior considerouse um reator contínuo ideal sem levar em consideração o consumo de substrato para manutenção bem como sem considerar a possível ocorrência de decaimento celular seja como consequência do metabolismo endógeno ou ainda resultante de lise celular Assim as equações de balanço material para o microrganismo e para o substrato limitante adquirem o seguinte formato Considerando estado estacionário e admitindose válida a cinética de Monod 𝜇 Sistema contínuo com reciclo de células Objetivos Obtenção de alta densidade celular no reator aumentandose assim consideravelmente as velocidades Aumento da produtividade do processo O reciclo de células pode ser interno ou externo ao reator Recirculação interna as células são mantida no reator seja através de uma simples sedimentação ou através do emprego de um filtro na saída de líquido do reator Recirculação externa o líquido efluente circula através de um separador de células sedimentador centrífuga ou sistema de filtração por membranas de maneira que uma corrente concentrada em células retorna ao fermentador enquanto uma outra filtrado ou permeado sai praticamente isenta de células Sistema contínuo com reciclo de células Sistema com reciclo interno Assim podese escrever a seguinte equação de balanço material para o microrganismo no fermentador considerandose X0 0 Geração Purga Saída Filtrado Sistema contínuo com reciclo de células Dividindo a equação pelo volume de meio no reator V 0 Não é mais válida a igualdade entre μ e D como no sistema sem reciclo D onde ocorrerá a lavagem c Fração de líquido removido diretamente da purga h retenção de células entre 0 e 1 0 retenção total no filtro 1 retenção nula sem reciclo Significa na prática uma ampliação na faixa de operação da vazão específica de alimentação podendo se operar com valores de D superiores a μmax Sistema contínuo com reciclo de células considerandose válida a cinética de Monod obtémse em estado estacionário A concentração celular no sistema com reciclo é aproximadamente igual à do sistema sem reciclo multiplicada pelo fator 1 A Produtividade em células verificase que para valores de D inferiores a μmax a produtividade no sistema com reciclo é praticamente igual à do sistema sem reciclo Para valores de D superiores a μmax verificamse elevadas produtividades no sistema com reciclo enquanto que se observam valores nulos no sistema sem reciclo devido à ocorrência de lavagem de células Sistema contínuo com reciclo de células Sistema contínuo com reciclo de células Sistema com reciclo externo Sistema contínuo com reciclo de células Balanço material para as células considerandose o reator como volume de controle obtémse Dividindo por V Sistema contínuo com reciclo de células Em estado estacionário temse As equações acima são análogas ao do sistema contínuo com reciclo interno de células sendo que formalmente temse a variável B em vez de A O comportamento de X S e Px em estado estacionário em função da vazão específica de alimentação é o mesmo do sistema com reciclo interno Formação de produtos no sistema contínuo Será abordada a formação de produtos no sistema contínuo sem reciclo de células considerandose a classificação de GADEN com equacionamento correlacionando as velocidades específicas de crescimento μ e de produção μp conforme proposto originalmente por LUEDEKING e PIRET como especificamos a seguir Produção associada ao crescimento Produção nãoassociada ao crescimento Produção parcialmente associada Onde α gg e β ggh são considerados constantes do processo Formação de produtos no sistema contínuo Considerando estado estacionário e P0 0 A produtividade deste produto será dada por Lembrando que μ D obtêmse as seguintes expressões para a concentração do produto P e a sua produtividade DP em estado estacionário em função de D Produção associada ao crescimento Formação de produtos no sistema contínuo Produção não associada ao crescimento Produção parcialmente associada ao crescimento Onde P é a concentração de produto e DP é a produtividade