FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL INTRODUÇÃO BIORREATORES

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1 BIORREATORES

2 Os processos de fermentação utilizados hoje em dia são combinações de tecnologias que melhoram o rendimento do processo. Descontínuo -com um inóculo simples por tanque {-com ou sem a Descontínuo recirculação do alimentado microrganismo Processo de Fermentação {-com ou sem a Semicontínuo recirculação do microrganismo { {- em um tanque ou Contínuo tanques em série com ou sem recirculação de m.o.

3 1.1- Descontínuo Simples inóculo mosto Na maioria das vezes este processo não é utilizado industrialmente.

4 1.2- Descontínuo Alimentado inóculo mosto F Neste processo um ou mais nutrientes, inclusive a fonte de energia, são supridos ao reator de forma contínua baseando-se na demanda do microrganismo e os produtos permanecem no meio até o final de cultivo. O final do enchimento caracteriza o final da fermentação. Graças ao acúmulo de produtos no processo descontínuo alimentado a sua purificação é facilitada, pois a sua concentração é maior quando comparado com o processo contínuo. Observações: 1- A alimentação do substrato baseado no consumo pela célula evita a inibição pelo substrato. 2- Pode-se trabalhar com volumes praticamente constantes (concentração elevada do mosto de alimentação).

5 1.3- Semicontínuo inóculo mosto tratamentos finais (Separação) É um contínuo alimentado com alimentação instantânea. Uma vez retirada uma parte do vinho para tratamentos finais, alimentase de forma instantânea um volume de mosto idêntico ao volume de vinho retirado. Desta forma pode-se dizer que trata-se de um reator que trabalha de forma descontínua.

6 2- BIORREATOR IDEAL DESCONTÍNUO X V S 2.1- Balanço de massa para célula [ ] variação de X no reator = [ crescimento ] dx V dx dx = V logo = μ X c

7 2.2- Balanço de massa para o nutriente [ variação de S no reator ] = [ consumo para crescimento ] ds V ds = V c Sabendo que ds c = Xμs e também que 1 dx μ =, X μ s = 1 ds X e que μ dx = = Y x / s μs ds μ μ s = Y x / s logo, substituindo μ S na equação do B. M. para S vem: ds μx = Y x/s

8 2.3- Produtividade em processos fermentativos descontínuos Produtividade volumétrica é expressa como gramas de produto por litro por hora e é uma medida da performance global de um processo. g. célula gx Pr od. = P = = L. h L. h Em um processo batelada (descontínuo), é necessário calcular a produtividade em relação ao tempo total de processamento, que inclui não somente o tempo de fermentação, mas também o tempo requerido para esvaziar o fermentador de uma operação prévia, lavar o tanque, enchê-lo novamente e esterilizar o novo meio. Esse intervalo de tempo (excluindo o de fermentação) pode ser tão curto como seis horas na obtenção de leveduras ou tão longo como vinte horas, na produção de antibióticos.

9 X t1 t2 tl tf Tempo Onde t1 = tempo para esvaziar a dorna e lavagem t2 = tempo para encher novamente a dorna e esterilizar o meio tl = tempo da fase lag tf = tempo de fermentação em fase exponencial, onde μ = μ máx = cte tf 1 = ln μ X X 2 1

10 A produtividade global é dada por: P = 1 X ln 2 μ X1 X2 = Produtividade em células + t1 + t2 + tl A partir da equação anterior, vemos que um inóculo maior aumentará X 1 e encurtará o tempo de fermentação. Se forem diminuídos os tempos operacionais t 1 e t 2, encurtaremos também o ciclo, bem como o uso de células bastante ativas e adaptadas no mesmo meio, diminuirá a fase lag. Se o ciclo de fermentação é curto (12-48h) tais como na obtenção de levedura ou fermentação alcoólica, os tempos operacionais são importantes na produtividade global. Por outro lado, com longos tempos de fermentação ( h), tal como na produção de antibióticos, uma diferença de poucas horas é de pequeno significado.

11 3- BIORREATOR IDEAL CONTÍNUO Para a dedução das equações serão necessárias algumas considerações: -Estado estacionário ocorre quando as propriedades do meio, em cada ponto, permanecem constantes com o tempo. - Tanques com agitação completa e perfeita. - Finalidade do processo é a produção de microrganismo.

12 3.1- Balanço de material para a célula F = vazão (volume/tempo) S 0 F X 0 = 0 X S [ ] [ [ variação de X = crescimento no - retirada de células no reator reator do reator dx V dx = V FX ( V) c ] ] Definindo F = D = vazão específica V 1 dx = μ D X no estado estacionário, dx = 0 logo, μ = D

13 3.2- Balanço de material para o nutriente [ ] [ ] no reator crescimento variação de S = [ alimentação ] - consumo p/ - [ retirada ] ds ds V = FS0 V FS c Sabendo que 1 ds μ μ s = = X c Y x / s ds FS = 0 V μx Y x / s FS V ds ( S) = D S0 μx Y x / s ds No estado estacionário = 0 e μ=d ( S) D S0 μx = Y x / s S = S 0 - X Y X/S

14 3.3- Análise da estabilidade do biorreator ideal contínuo De posse das equações do balanço mássico podemos analisar a estabilidade do processo contínuo, quando por algum motivo é desfeito o estado estacionário. Para tal podemos considerar as seguintes equações: ds 1 = D( S0 S) μx eq. 1 Y x / s S μ = μmax eq. 2 k s + S 1 dx = μ D X eq. 3

15 1 Caso: Diminuição de X no tanque por algum motivo. ds Pela eq. 1 > 0 logo, ocorre um aumento de S com o tempo. Pela eq. 2 aumento de μ dx Pela equação 3 > 0 portanto, ocorre um aumento de X até que se atinge novamente o estado estacionário. ( O sistema tende novamente ao regime estacionário ).

16 2 Caso: Aumento de X no tanque. ds Pela equação 1 < 0 logo, ocorre uma diminuição de S com o tempo. Pela equação 2 μ diminui. dx Pela equação 3 < 0 o que provoca uma diminuição de X até que se atinge novamente o estado estacionário. ( O sistema tende novamente ao regime estacionário ).

17 3 Caso: Regime estacionário desfeito pela diminuição de F, logo diminuição de D. ds Pela equação 1 < 0 logo ocorre uma diminuição de S com o tempo. Pela equação 2 e 3 μ diminui até atingir μ = D. ( Atinge-se um novo estado estacionário ).

18 4 Caso: Aumento de D para valores < μ máx. ds Pela equação 1 > 0 logo, ocorre um aumento de S com o tempo. Pela equação 2 e 3 μ aumenta até atingir μ = D. ( Atinge-se um novo estado estacionário ).

19 5 Caso: Aumento de D para valores μ máx. dx Pela equação 3 = Xμmax XD dx < 0 logo a concentração de X diminuirá com o tempo, ocorrendo o que se denomina arraste do m.o. do fermentador.

20 3.4- Análise da variação de S com D Para analisarmos como ocorre a variação de S com a variável D é necessário deduzirmos algumas equações: S Sabemos pela equação 2 μ = μmax isolando a variável S k s + S μ temos S = ks mas no estado estacionário μ = D. μmax μ Logo S = Dks μmax D eq. 4

21 1 Caso: Para valores de D << μ máx. Pela equação 4 S aumenta proporcionalmente a D. 2 Caso: Para valores de D próximos de μ máx. S aumenta rapidamente com o aumento de D. Pela equação 4 S tende ao infinito quando D se aproxima de μ máx. Porém, isto não é verdade, o que acontece é que S tende a S 0.

22 3.5- Análise da variação de X com D Agora iremos analisar como ocorre a variação de X com a variável D e para isso será necessário deduzirmos a equação de X = f (D). Pela equação 4 e pela equação do balanço mássico de S no estado estacionário temos que: Dks X = S0 μmax D Y x / s e X = Y Dks x / s S0 eq.5 μmax D

23 1 Caso: Para baixos valores de D. O 2 termo da diferença da equação 5 é baixo, logo X Y X/S S 0 2 Caso: Para valores de D próximo de μ máx. O 2 termo da equação 5 tende a infinito, ou seja, tende a S 0, logo X tende a zero.

24 3.6- Análise da variação da produtividade com D Um processo fermentativo é avaliado pelos seus fatores de conversão Y X/S ou Y P/S e também pela sua produtividade. Para o processo contínuo: Produtividade = P = X D Pela equação 5 P D = DY x / s S k s 0 eq. 6 Dc D

25 Agora podemos analisar a figura que representa as variações de X, S e P com a vazão específica D. P X S D C = μ máx D Por este gráfico podemos concluir que manter o processo em estado estacionário próximo ao D C é muito difícil pois uma ligeira variação de D pode ocorrer grandes variações de X, S e P. A escolha das condições de trabalho dependerá de uma série de considerações de ordem econômica. ( S barato ou S caro ).

26 3.7- Comparação entre o processo de cultivo contínuo e o descontínuo Vantagens do processo contínuo: 1- Redução dos tempos improdutivos; 2- Obtenção de produto uniforme; 3- Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico (por exemplo: μ = cte) e portanto a possibilidade de trabalhar em condições ótimas de cultivo; 4- Maior facilidade de controles automáticos; 5- Possibilidade de associação com outras operações contínuas da linha de produção; Desvantagens do processo contínuo ( Problemas práticos ) : 1- Manutenção de condições de assepsia por longos períodos de tempo, e possibilidade de ocorrência de mutações; 2- Possibilidade de ocorrência de perda de viabilidade de parte significativa da população microbiana; 3- Dificuldade de manutenção de homogeneidade no fermentador, quando se trabalha com baixas vazões, ou quando se tem meios muito viscosos.

27 3.8- Aplicações práticas de processos fermentativos contínuos No que se refere à produção de células podemos dizer que a fabricação de leveduras constitui o principal exemplo de aplicação prática dos processos de cultivos contínuo. A maioria das instalações industriais apresenta, como característica comum o fato de trabalharem com tanques de elevada capacidade, da ordem de 140 mil litros. As matérias- primas mais comumente utilizadas nas instalações existentes são melaço e resíduos agrícolas ( hidrolizado de água de amido por exemplo ). E o tipo de levedura mais produzido é a Saccharomyces cerevisiae. O valor da concentração celular resultante de cultivos contínuos é da ordem de 10 g /L e só se atinge valores maiores quando se faz recirculação de células.