Introdução a Bioprocessos Industriais - Conceitos e Representações

1 Introdução Bioprocessos Professor Michele da Rosa Andrade Zimmermann de Souza Ano 2021 Universidade Federal do Rio Grande FURG Escola de Química e Alimentos EQA Curso de Engenharia Bioquímica Disciplina de Introdução aos Bioprocessos Industriais 02256 1 1 Introdução 11 Fluxograma de processos e diagrama de blocos 12 Modos de Condução de bioprocessos 13 Correntes de processo Itens do plano de ensino 2 Itens e sub itens dessa aula Semana 1 1 Bioprocessos 11 Conceito de bioprocesso 12 Relação do Eng Bioquímico com Bioprocessos 13 Representação dos bioprocessos fluxogramas 131 Diagrama de blocos com diferentes níveis de detalhamento 132 Outros tipos de fluxogramas 14 Rotulagem de fluxogramas de bioprocessos 15 Sistemas no contexto dos bioprocessos 151 Conceito e representação de sistemas 152 Sistema aberto sistema fechado 153 Sistema em estado estacionário e transiente 16 Correntes de processo 161 O que são correntes de processo 162 Correntes especiais em bioprocessos reciclo desvio bypass e purga 17 Condução de bioprocessos industriais 171 Contínuo 172 Descontínuo ou batelada batch 173 Semicontínuo semibatelada 174 Batelada alimentada 175 Batelada sequencial 176 Condução do processo industrial e da fermentação Processos Bioquímicos ou Bioprocessos Industriais Fonte wwwnewsrondoniacombr Fonte wwwprajnet Fonte wwwsulzercom Fonte httpwwwsciencedirectcomsciencearticlepiiS0376738 89600292X Onde estão as correntes de processo O que são Processos Um processo é qualquer operação ou série de operações através das quais um objetivo particular é atingido Felder Bioprocess operations make use of microbial animal and plant cells and components of cells such as enzymes to manufacture new products and destroy harmful wastes Pauline Doran Processo Bioquímico Industrial sempre tem Entrada ou alimentação input Saída ou produto output Dividido em Unidades partes Comunicação por correntes de processo Correntes de processos Vamos falar bastante nelas nessa disciplina Pensando sobre os processos Que quantidade de produto desejo produzir Quanto é necessário de matériaprima ou substrato Que outros produtos são gerados Se fizer um reciclo para aumentar a conversão de substrato em produto quanto devo reciclar Qual a necessidade de energia para isso No reator será necessário aquecimento ou resfriamento Qual a quantidade de ar a ser injetado para a combustão para geração de calor Objetivo do processo realizar transformações para produzir um produto Então com o que o Engenheiro se preocupa em relação ao processo Qual a relação entre Engenheiros e Processo Bioquímico Industrial Projeto do processo Operação diaadia do processo Constante avaliação análise do processo para competitividade Aqui você já deve ter em mente uma resposta bem completa para a seguinte pergunta o que é um processo Escreva sua resposta para saber responder a esta pergunta de maneira bem completa e consistente Fluxograma de processos flow diagrams ou flow sheets É uma representação gráfica das principais informações e dados sobre o processo A complexidade dos fluxogramas é variada desde simples diagramas de blocos até desenhos esquemáticos altamente complexos mostrando os equipamentos principais e os auxiliares como tubulações válvulas bombas e correntes especiais reciclo bypass purga Rotular um fluxograma de processo significa inserir os valores de todas as variáveis conhecidas nos equipamentos e nas correntes e indicar as que se pretende calcular vazões e composições A importância da correta construção do fluxograma e rotulagem é enorme e pode significar o sucesso ou fracasso na resolução de um problema de balanços de massaenergia chegaremos lá Por enquanto preocupemse em saber construir o fluxograma e rotular e acreditem É super importante Representação dos componentes de bioprocessos Fluxogramas diagramas de bloco e rotulagem 9 Diagrama de blocos uma forma simples e resumida de representar um processo Caixas ou círculos representam as unidades ou operações no processo como reator misturador centrífugas unidade de preparo de inóculo trocador de calor etc Setas indicam as correntes de entrada e saída de determinado equipamento operação ou sistema Correntes Falaremos mais nelas nessa aula mas já conseguimos ter uma ideia do que são né Então pense na resposta para a pergunta O que são correntes de processo 10 Fluxograma geral de um bioprocesso na forma de diagrama de blocos Fonte Bailey Ollis 198611 Os slides a seguir mostram diferentes informações que podem ser adicionadas em um diagrama de blocos 12 Diagrama de blocos detalhado de um bioprocesso Fonte Bailey Ollis 1986 13 Fluxograma na forma de diagrama de blocos mostrando o balanço de massa Fonte Bailey Ollis 1986 14 Além dos simples blocos os fluxogramas podem ser mais detalhados com cada equipamento ou operação representada por um símbolo específico 15 Perceba neste fluxograma Dados sobre as correntes estão em blocos caixas ao lado de cada corrente Esse modo de representação é útil para processos com poucos equipamentos pois fica difícil adicionar muita informação Fonte Sinnott R K 2005 Coulson and Richardsons Chemical Engineering vol 6 Chemical Engineering Design 16 Uma maneira mais adequada para processos complexos é usar Correntes numeradas e informações sobre elas em uma tabela 17 Fluxograma do processo de produção de bacitracina antibiótico mostrando as principais operações Fonte Pauline Doran 18 FIGURE 315 Quantitative flow sheet for the downstream processing of 23butanediol based on fermentation of 1000 bushels of wheat per day by Acetobacter xylinum From JA Whorr ID Leslie RV Tomkins HE Mitton DS Scott and GA Lednigham 1948 Production and properties of 23butanediol XXVIII Pilot plant FIGURE 316 Detailed equipment diagram for pilotplant fermentation system Reproduced with permission from LH Engineering Ltd a member of the Enodotech Group of companies Copyright 1983 Símbolos são padronizados onde encontrar BS British Standard Graphical Symbols for General Engineering Part 1 Piping Systens and Plant ANSI American National Standards Institute Outras fontes Para criar fluxogramas de processos httpswwwedrawsoftcomtemplateprocessflowdiagramphp Símbolos httpswwwedrawsoftcomprocessflowdiagramsymbolsphp 21 Exercitando construção de fluxogramas e rotulagem Ex 452 Felder consultar bibliografia a disciplina Ler o texto que fornece as informações sobre o processo construir o fluxograma rotulálo e a seguir conferir com o apresentado no livro 22 Seu fluxograma deve ter ficado mais ou menos assim 23 Exercitando construção de fluxograma e rotulagem Ex 431 Felder 24 Correntes em bioprocesss Correntes em bioprocessos O que são correntes em bioprocessos Uma corrente de processo é uma comunicação entre dois pontos do processo sua finalidade é transportar algo seja matéria prima substrato produto gás líquido sólidos misturas etc seja pra entrar no processo sair do processo ou internamente ao processo transportando esse material de um equipamento a outro Pensemos de maneira mais simples ainda As tubulações servem para conduzir material nos processos Só as tubulações Pense numa corrente de entrada que não chegue no reator através de uma tubulação 26 Correntes especiais em bioprocessos Reciclo desvio e purga makeup 27 Reciclo Uma parcela de alguma corrente de saída em uma unidade retorna à entrada daquela unidade em uma corrente interna ao processo chamada corrente de reciclo Fig 451 Pode ocorrer em destiladores sistemas de trocas de energia aquecimento e refrigeração sem reação química em reatores etc A corrente de reciclo pode conter fluidos de aquecimentorefrigeração reagentes nutrientes células entre outros O reciclo envolve a operação de Separação de parcela da corrente e o reciclo propriamente dito gastos com equipamento e tubulação normalmente são compensados pelo maior aproveitamento da matériaprima ou aumento de rendimento Perceba Alimentação Alimentação virgem corrente de reciclo 28 Por que e para que usar reciclo Antes de ler pense na resposta dessa pergunta Recuperar um substrato ou reagente não consumido completamente Recuperar células ou enzimas catalisador Diluir uma corrente de processo ex filtração de uma lama com teor de sólidos que gera queda de pressão muito alta no filtro Adicionar água pura ou o filtrado reciclado Pode proporcionar um produto mais puro facilitando as etapas de recuperação e purificação Controlar temperatura Ex processo que libera calor recebe o efluente do processo que aumenta a massa de alimentação e a mesma quantidade de calor liberada causará menor elevação da temperatura Circulação de um fluido de trabalho para controle de temperatura e reposição da fração perdida por vazamentos ou evaporação Diminui o tamanho dos reatores Consegue responder melhor por que usar reciclo em bioprocessos Formule sua rta 29 Exercitando em casa Montar e rotular o fluxograma do processo com reciclo Exemplo 451 Felder Ou em espanhol 30 Resposta ex 451 Felder DA aire seco W agua Exercitando reciclo Ex 452 Felder Reciclo Ler o texto que fornece as informações sobre o processo construir o fluxograma rotulálo e a seguir conferir com o apresentado no livro 32 Bypass Desvio Ex concentração de suco de laranja e destruição de vitaminas ex a seguir Uma fração da alimentação de uma unidade é desviada ao redor da unidade e combinada com a corrente de saída da unidade Controla a composição da corrente de produto 33 Bypass Exercício proposto montar e rotular o fluxograma de processo com bypass Não é necessário resolver o problema 34 432 El jugo de naranja fresco contiene 120 por peso de sólidos y el resto es agua y el jugo de naranja concentrado contiene 420 por peso de sólidos Al principio se usaba un solo proceso de evaporación para concentrarlo pero los constituyentes volátiles del jugo escapaban con el agua y el concentrado perdía sabor El proceso actual resuelve este problema derivando bypass una fracción del jugo fresco antes del evaporador El jugo que entra al evaporador se concentra hasta 58 por peso de sólidos y la corriente de producto del evaporador se mezcla con la corriente derivada de jugo fresco hasta que se logra la concentración final deseada a Dibuje y marque el diagrama de flujo de este proceso ignorando la vaporización de cualquier otro componente del jugo que no sea agua Primero compruebe que el subsistema que contiene el punto donde se separa la corriente de derivación de la alimentación del evaporador tiene un grado de libertad Si piensa que tiene cero grados trate de determinar las variables desconocidas asociadas con este sistema Después haga el análisis de grados de libertad para el sistema total el evaporador y el punto de mezcla de la corriente derivada y el producto del evaporador y escriba en orden las ecuaciones que resolvería para determinar todas las variables desconocidas de las corrientes Encierre en un círculo la variable que despejaría en cada ecuación pero no haga ningún cálculo b Estime la cantidad de producto concentrado al 42 obtenido por cada 100 kg de jugo fresco alimentados al proceso y la fracción de la alimentación que se desvía del evaporador c La mayoría de los ingredientes volátiles que dan sabor al concentrado están en el jugo fresco que se desvía del evaporador Se podrían obtener más de estos ingredientes en el producto final evaporando digamos hasta 90 de sólidos en lugar de 58 entonces se podría hacer una derivación mayor de jugo fresco y lograr así un producto aun más sabroso Sugiera los posibles inconvenientes de esta propuesta Purga Descarte de uma porção da corrente de reciclo então atenção quando resolver problemas a purga tem a mesma composição da corrente de reciclo Qual a importância da Purga Evita o acúmulo de algum componente que entre com a alimentação virgem ou que seja produzido em alguma reação e não saia do processo 36 Make up É uma corrente de reposição por exemplo de água ou outro solvente perdidos seja por vazamento evaporação ou saída com o produto Exemplo água de resfriamento ou extração por solvente 37 O que são sistemas no contexto dos bioprocessos Sistema é qualquer porção de um processo que se deseja analisar Também chamada volume de controle Ex biorreator torre de destilação trecho de duto cervejaria completa ponto de mistura ou de separação de correntes Representação Usualmente as fronteiras do sistema sob análise são delimitadas por uma linha pontilhada Fig 451 As entradas e saídas de um sistema são as correntes de processo que cortam as fronteiras do sistema Fig 451 38 Que sistemas estão sendo considerados em 1 2 3 e 4 1 2 3 4 39 Sistemas fechados e abertos Sistema Fechado Não há entrada nem saída de material através das fronteiras do sistema durante o período de estudo Podem ocorrer reações dentro do sistema mas a massa permanece constante Sistema Aberto Há entrada eou saída de material através das fronteiras do sistema durante o período de estudo Um reator operando em batelada é sempre um sistema Um reator contínuo ou semicontínuo será sempre um sistema volte aqui pra responder depois de estudar os modos de operação 40 Sistemas em estado estacionário Steady State SS Todas as variáveis T p m V vazões dentro das fronteiras do sistema permanecem constantes no tempo Sistemas em estado nãoestacionário transientes Uma ou mais variáveis T p m V vazões dentro das fronteiras do sistema varia com o tempo Sistema estacionário pode ser aberto Pode ser fechado Um sistema em batelada será sempre responda depois de saber o que é uma batelada O que é Acúmulo Para pensar se tem reciclo tem acúmulo Falso ou verdadeiro Sistemas Estacionários e Transientes 41 Contínuo continuous correntes de entrada e saída contínuas ao longo do tempo total do processo Batelada ou descontínuo batch alimentação no início do processo e retirada de produtos ao final Sem transferência de massa entre as fronteiras do sistema no período entre alimentação e retirada Semibatelada ou semicontínuo semibatch ou semi continuous Não é contínuo nem batelada Felder Entra material durante o processo mas não sai Himmelblau Permite entrada e saída de massa Pauline Doran é o conceito mais aceito em bioprocessos mas com alguma especificação maior ao atingir uma determinada concentração de células ou produto parte da cultura é removida e adicionado meio novo Condução de bioprocessos descontínuos contínuos semicontínuos 42 Batelada alimentada fedbatch um ou mais nutrientes ou precursores são adicionados durante o cultivo e os produtos permanecem até o final Pauline Doran Batelada sequencial ou descontínuo alimentado repetitivo alimentações e retiradas em intervalos pré definidos Para pensar Como se classifica a operação de um reator batelada com injeção contínua de ar durante o tempo total de cultivo Ou com saída de CO2 Condução de bioprocessos descontínuos contínuos semicontínuos 43 Perceba a diferença entre processo e reator quanto ao modo de condução Reator Descontínuo Batelada Reator Descontínuo Alimentado Batelada alimentada Reator Contínuo Reator Semicontínuo É possível a produção contínua de etanol por fermentação alcoólica realizada em reatores operados em batelada 44 Para pensar Batelada batelada alimentada semibatelada podem operar em SS 45 Leitura recomendada Felder pg 38 Processos e variáveis de processo Pauline Doran Chapter I Bioprocess Development An Interdisciplinary Challenge pg 38 Exercícios Teste pág 74 Felder Explique simplificadamente como são conduzidos processos em batelada batelada alimentada semicontínuos e contínuos Explique o estado transiente e estacionário Resolva o problema 329 Felder mostrando a rotulagem do fluxograma Procure um diagrama de blocos de um processo industrial em fontes confiáveis de consulta Encontre um processo industrial que apresente as correntes especiais e apresente em um slide explicando a função dessa corrente Exercícios do livro Felder que estarão indicados no moodle 47 Estudo Extra Himmelblau Itens 62 e 63 Realizar os testes de autoavaliação desses itens Problemas 61 a 63 610 613 a 619 48