Comparacao de Modos de Operacao em Bioprocessos Modelagem e Simulacao - Analise Completa

Professor Leonardo Wedderhoff Herrmann Comparação de Modos de Operação Modelagem e Simulação em Bioprocessos 24651 Fonte da imagem httpswwwppdcomblogthreefinancialshiftsbiotechleadersneedtoknowfor2023 Conhecimentos prévios Simulação de equações Métodos numéricos Comparação entre métodos numéricos e soluções analíticas Modo de operação em batelada Programação freemat Modo de operação contínuo Modo de operação em batelada alimentada 2 1 Comparações Modos de operação Batelada Durante a fase exponencial de crescimento a velocidade de crescimento celular é rX μx onde rX é a velocidade volumétrica de crescimento x é a concentração de células viáveis e μ é a velocidade específica de crescimento firstorder autocatalytic reaction Batelada A velocidade de crescimento é igual à variação instantânea da concentração de células no tempo rX dxdt Qual a solução dessa equação diferencial para a fase exponencial de crescimento Batelada A velocidade de consumo é função da concentração de biomassa rS qSX rS velocidade volumétrica de consumo de substrato ex kg m3 s1 qS velocidade específica de consumo de substrato ex s1 X concentração de biomassa ex kg m3 O consumo de substrato é afetado pelo crescimento mas também pela manutenção celular Batelada dXdt μX dSdt qSX Batelada Alimentada F So Pulso de alimentação PARTIDA ENCHIMENTO RETIRADA A operação do fermentador FedBatch também é chamada de Sistema SemiContínuo ou Sistema à Volume Variável em Cultura Contínuo Batelada Alimentada So Xo t0 t1 t2 tf t h tciclo Batelada Alimentada dVdt F dXdt μ FV X dSdt FV Si S qS X Modo de operação contínuo F taxa de fluxo Lh ou m3h V volume de trabalho L ou m3 D taxa de diluição D FV h1 Modo de operação contínuo dXdt μX DX Cultura em Batch Fase transitória Cultura contínua dXdt velocidade de aumento da biomassa gLh μX biomassa produzida devido ao crescimento DX biomassa por volume que deixa o reator Modo de operação contínuo FVXi FVX μmax S Ks SX 0 FVSi FVS 1YXS μmax S Ks S X ms X 0 Modo de operação contínuo Operação Contínua em Estado Transiente Suponha um biorreator perfeitamente agitado Equações cinéticas para geração de biomassa e consumo de substrato dXdt FV X μ X dSdt FV Sin FV S qS X Durante o crescimento balanceado a velocidade específica de crescimento μ é função da concentração do substrato limitante de acordo com a Equação de Monod μ μmax S KS S onde S é a concentração do substrato limitante μmax é a velocidade específica de crescimento máxima Ks é a constante do substrato μmax e Ks são parâmetros que caracterizam o sistema célulasubstratocondições de cultivo Cinética do consumo de substrato em cultivo Consumo de substrato na ausência de formação de produto extracelular rS rX YXS mS X YXS rendimento teórico ou real de biomassa a partir de substrato rX velocidade volumétrica de produção de biomassa μX mS coeficiente de manutenção X concentração de biomassa O substrato é direcionado para a geração de biomassa e manutenção celular PRODUTO Parâmetros de comparação Volume útil final ou Volume útil Tempo de Operação Concentração final de substrato Concentração final de biomassa Produção de Biomassa Massa de biomassa obtida ao final da operação Parâmetros de comparação Massa inicial de biomassa Massa de biomassa gerada massa final massa inicial Massa de substrato inicial ou massa total de substrato adicionada Parâmetros de comparação Produtividade Px massa de biomassatempo de operação massatempo1 Produtividade volumétrica Qx concentração de biomassatempo de operação massavolume1tempo1 Parâmetros de comparação Cálculo do rendimento YXS massa de biomassa gerada massa de substrato consumido YXS massa de biomassa final massa de biomassa inicial massa de substrato inicial massa de substrato final 22 1 Utilizando os parâmetros de operação μ 02 h1 qs 04 h1 F 40 Lh Sinicial 20 gL Xinicial 1 gL tempo de operação de 12 h volume útil final de 100 L utilize o método numérico de Euler Aprimorado para fazer uma comparação de crescimento de biomassa e de consumo de substrato entre o modo de operação Batelada e Batelada Alimentada Exercício Fonte da imagem httpswwwappluscombrptwhatwedosubmarketpetrC3B3leoegC3A1sdownstream Exercício Monte uma tabela com os parâmetros de comparação para as duas operações Apresente lado a lado o gráfico dos perfis de concentração ao longo do tempo para os dois reatores 24 2 Em uma tabela e gráfico separados adicione os conceitos de equação de Monod e de coeficiente de manutenção de biomassa para ambos os modos de operação levando em consideração μmax 02 h1 Ks 1 gL e ms 0036 h1 Exercício Fonte da imagem httpswwwappluscombrptwhatwedosubmarketpetrC3B3leoegC3A1sdownstream 25 3 Modifique os parâmetros de operação e verifique o que acontece com os perfis de produção de biomassa e de consumo de substrato Exercício Fonte da imagem httpswwwappluscombrptwhatwedosubmarketpetrC3B3leoegC3A1sdownstream Alguma dúvida Professor Leonardo Wedderhoff Herrmann leonardowhupedubr 26 Fonte da imagem httpswwwresearchgatenetpublication305771106Modelizaciondecrecimientosmicrobianosenmediosheterogeneosydemovilidadreducidafigureslo1utmsourcegoogleutmmediumorganic