FERMENTAÇÃO CONTÍNUA

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1 FERMENTAÇÃO CONTÍNUA

2 1.1 -Descontínuo Simples inóculo mosto Na maioria das vezes este processo é o mais utilizado

3 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).

4 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.

5 2- BIORREATOR IDEAL DESCONTÍNUO V X S 2.1- Balanço de massa para célula variação de X no reator = [ crescimento ] [ ] V dx dt dx dx = V logo = µ X dt c dt

6 2.2- Balanço de massa para o nutriente [ variação de S no reator ] = [ consumo para crescimento ] V ds dt = V ds dt c Sabendo que ds dt c = Xµ s e também que 1 dx µ =, X dt µ s = 1 X ds dt e que µ µ s µ s = = dx = ds µ Y x / s Y x / s logo, substituindo µ S na equação do B. M. para S vem: d S = d t μ X Y x /s

7 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 Pr od. = P = = L. h gx 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.

8 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 µ ln X X 2 1

9 A produtividade global é dada por: P = 1 µ ln X2 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.

10 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.

11 FERMENTAÇÃO CONTÍNUA Caracteriza-se por possuir alimentação de meio de cultura a uma vazão constante, sendo o volume de reação no fementador mantido constante, e a retirada do contínua do caldo fermentado; O sistema deve ser mantido no estado estacíonário, onde a concentração celular, de substrato e de produto, permaneçam constante durante todo o tempo de operação do sistema

12 FERMENTAÇÃO CONTÍNUA A manutenção do volume constante no reator, significa teoricamente, a necessidade de manter vazões idênticas de alimentação e de retirada de meio, que na prática é quase impossível; Por isso, utiliza-se sistemas, de retirada de amostras por tranbordamento ladrão, de forma a manter o líquido constante no reator; Emprega-se bombas com sistemas de controle automático do fermentador de modo a manter a massa do reator;

13 FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA O processo de fermentação contínua normalmente tem início em um processo descontínuo: carrega-se inicialmente o reator com meio de cultura; procede-se à inoculação com o microrganismo responsável pela conversão; após um período de operação descontínua, inicia-se a alimentação de meio de cultura e retirada de caldo, dando-se início efetivamente ao processo contínuo.

14 FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA Dependendo do instante em que se inicie o processo contínuo propriamente dito, bem como a vazão de alimentação empregada, o sistema poderá convergir com maior ou menor rapidez a situação de estado estacionário; recomenda-se usualmente que se inicie a alimentação com o cultivo em fase exponencial; e que a concentração de biomassa X, seja a mais elevada possível.

15 FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA O sistema de fermentação contínua e extremamente versátil, quanto as sua várias possibilidades de operação tais como: Contínuo em um único estágio, ou seja, somente um reator; Sem reciclo de células; Com reciclo de células

16 FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL INTRODUÇÃO

17 FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL INTRODUÇÃO

18 FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA Contínuo em múltiplos estágios, ou seja vários fermentadores; Sem reciclo de células; Com reciclo de células Cada uma dessas diferentes opções, irá resultar em distintos comportamentos das variáveis de estado (células, substratos e produto)

19 VÁRIAS DORNAS INTRODUÇÃO Fermentação Continua MOSTO ÁCIDO ÁGUA CENTRÍFUGA TRATAMENTO DO FERMENTO DESTILAÇÃO

20 VARIÁVEIS DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA: Yx/s: Fator de Conversão de Substrato em Células (ex: g x /g s ). µx; µs; µp: Velocidades Específicas de Crescimento Celular (ex: h -1 ); Consumo de Substrato (ex: g s /g x.h) e Formação de Produto (ex: g p /g x.h). F: Vazão Volumétrica de Alimentação de meio (L/h). V: Volume de Meio no Reator (L). X: Concentração de Células no Reator (g/l). Xo: Concentração de Células no meio de alimentação (g/l).

21 VARIÁVEIS DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA: S: Concentração de Substrato Limitante no Reator (g/l). So: Concentração de Substrato Limitante no meio de alimentação (g/l). P: Concentração de Produto P no reator (g/l). Po: Concentração do Produto P no meio de alimentação (g/l). D: Vazão Específica de Alimentação (F/V) dilution rate (h-1).

22 OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA: a fim de se obter faixas ideais de operação do sistema, tendo em vista a produtividade do processo Para operação do sistema é necessário conhecer o comportamento das variáveis: X, S, P, no estado estacionário, em função da vazão específica de alimentação D,

23 3.1- Balanço de material para a célula F = vazão (volume/tempo) S 0 X 0 = 0 F X S Definindo variação de X = crescimento no - retirada de células no reator reator do reator dx dx V = V FX ( V) dt dt c F = V X dx dt no estado estacionário, dx dt [ ] [ = 0 1 logo, D = vazão específica = µ D µ = D ] [ ] Essas equações são de fundamental importância para a análise dos sistema contínuo de fermentação, pois indicam que na condição de regime permanente, a concentração celular se mantém constante, graças ao equilíbrio entre a velocidade de crescimento de célula e a velocidade de retirada de células do fermentador

24 De forma análoga, pode se equacionar os balanços materiais para o substrato limitante 3.2- Balanço de material para o nutriente [ [ no reator crescimento ] ] variação de S = [ alimentação ] - consumo p/ - [ retirada ] ds V = FS0 dt V ds dt c FS Sabendo que µ s = 1 ds µ = X dt c Y x / s ds dt = FS0 V µ X Y x / s FS V ds dt = ( S) D S0 µ X Y x / s ds No estado estacionário = 0 dt e µ =D ( S) D S0 = µ X Y x / s S = S 0 - X Y X/S

25 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 dt = 1 D( S0 S) µ X eq. 1 Y x / s S µ = µ max eq. 2 k s + S 1 X dx dt = µ D eq. 3

26 1 Caso: Diminuição de X no tanque por algum motivo. ds Pela eq. 1 > 0 dt 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 dt atinge novamente o estado estacionário. ( O sistema tende novamente ao regime estacionário ).

27 2 Caso: Aumento de X no tanque. ds Pela equação 1 < 0 dt 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 dt atinge novamente o estado estacionário. ( O sistema tende novamente ao regime estacionário ).

28 3 Caso: Regime estacionário desfeito pela diminuição de F, logo diminuição de D. ds Pela equação 1 < 0 dt 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 ).

29 4 Caso: Aumento de D para valores < µ máx. ds Pela equação 1 > 0 dt 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 ).

30 5 Caso: Aumento de D para valores µ máx. dx Pela equação 3 = Xµ max XD dt dx < 0 logo a concentração de X diminuirá com o tempo, ocorrendo o que dt se denomina arraste do m.o. do fermentador.

31 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 = µ max isolando a variável S k s + S µ temos S = ks mas no estado estacionário µ = D. µ max µ Logo S = µ Dks max D eq. 4

32 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.

33 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: µ Dks max D = S0 X Y x / s e X = Y Dks x / s S0 eq.5 µ max D

34 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.

35 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 Onde, D c = µ max

36 Agora podemos analisar a figura que representa as variações de X, S e P com a vazão específica D. Dessa forma, pose se prever o comportamento de X, S e P em função da vazão específica de alimentação D; Observa-se que X permanece praticamente constante, em uma grande faixa de valores de D, ocorrendo uma brusca queda até zero, quando D, aproxima-se de µ max. Por outro lado, S tende para S 0 Quando isto, acontece chama se de Estado Estacionário de Lavagem (wash-out) X S Assim o estado de lavagem, P determina a condição de operação do reator, que está entre zero e µ max, desde que D C = µ máx 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 ). D D < D c. Recomenda-se operar com D em torno de 10 a 15% menor que µ max

37 ESTADO DE LAVAGEM Embora indesejável, esta situação é usualmente empregada para determinção de µ max em fermentação contínua (método dinâmico) Impõem µ > D, dx dt = ( µ max D) X n X X i = ( µ max D)( t to ) Sendo t 0, o instante que se fez D > µ max

38 MÉTODO DINÂMICO α=(µ max D) lnx/x i tempo n X X i = ( µ max D)( t to )

39 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.

40 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.

41 FORMAÇÃO DE PRODUTOS NO SISTEMA CONTÍNUO Produção associada ao crescimento: µ p = αµ P = αx Produção não associada ao crescimento: µ p = β P = βx/d Produçaõ parcialmente associada ao crescimento P = X[α +(β/d)] µ p = αµ + β LUEDEKING e PIRET PROCESSO CONTÍNUO,