PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO

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1 PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO 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.

2 PROCESSO DESCONTÍNUO

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

4 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA PREPARAÇÃO DO INÓCULO Inóculo, pé-de-cuba ou pé-de-fermentação é o quantidade adequada de microrganismo para garantir em condições econômicas a fermentação do volume do mosto; Cepas: manutenção do microrganismos selecionado em condições que possibilitem manter sua viabilidade e capacidade reprodutiva; Condições de manutenção: secagem, em agar inclinado, congelados; liofilizados; Recuperação do microrganismo: depende da técnica utilizada para sua preservação

5 PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO PREPARAÇÃO DO INÓCULO

6 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA MOSTO O microrganismo necessita de condições ótimas de crescimento (ph, temperatura, O 2 dissolvido, etc) O meio de cultura, mosto ou meio de fermentação tem influência marcante no processo; Deve possuir nutrientes requeridos para o crescimento celular

7 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA MOSTO Elementos principais: (C, H, O, N); Elementos secundários: (P, K, S, Mg); Vitaminas e hormônios; Traços de elmentos (Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Zn) Na formulação de um meio de cultivo, deve-se levar em conta as necessidades desses nutrientes para a formação dos produtos.

8 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA COMPOSIÇÃO ELEMENTAR TÍPICA DE UM MICRORGANISMO Elemento Porcentual no MO Carbono 50 Nitrogênio Fósforo Enxofre Magnésio ,0 0,5

9 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA MOSTO Um meio de cultura deve no mínimo conter os elementos da célula na proporção correta; Exceto para carbono, oxigênio e hidrogênio, a formulação dos nutrientes é baseada na Tabela anterior; Os microrganismos coordenam eficiente o seu catabolismo e anabolismo; O substrato limitante são as fontes de energia para este metabolismo

10 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA TIPOS DE MOSTO Meios naturais: (sucos de uvas, leite, caldo de cana, milhocina, etc); Meios sintéticos: (meios quimicamente definidos); Alguns substratos (açúcares, melaços, soro de leite, celulose, amido, resíduos, como água de maceração de milho, metanol, etanol, óleos e gorduras, etc.

11 PROCESSO DESCONTÍNUO O descontínuo será sempre a base para as comparações de eficiências atingidas nessas elaborações, mas a sua baixa eficiência estimula o surgimento das formas alternativas. O principal problema desta forma de operar bioprocessos é decorrente de fenômenos de inibição pelo substrato, produto, ou outros metabólitos; Concentrações elevadas de substrato inibem o agente biológico; Este efeito está relacionado, em células vivas, a fenômenos osmóticos que resultam em plasmólise celular;

12 PROCESSO DESCONTÍNUO As possíveis razões para o fenômeno são a repressão na síntese de enzimas e a desidratação dos sistemas enzimáticos, devida à perda de água da célula ou à inibição do transporte de nutrientes para o seu interior; É fato bem conhecido que a célula viva polui seu ambiente com produtos do seu metabolismo até fazer cessar o crescimento e, eventualmente, perder sua viabilidade, fenômeno conhecido como inibição pelo produto.

13 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DESCONTÍNUOS 1. Cada dorna recebe um inóculo; 2. Processo com recirculação do microrganismo; 3. Processo de cortes

14 FERMENTAÇÃO PROCESSO DESCONTÍNUO DESCONTÍNUA 1. DESCONTÍNUO SIMPLES EM QUE CADA DORNA RECEBE UM INÓCULO Cada dorna recebe um microrganismo propagada a partir de uma cultura pura; Pouco riscos de contaminação; Fermentações com meios ricos e passíveis de contaminação este tipo é indicado;

15 PROCESSO DESCONTÍNUO 1. DESCONTÍNUO SIMPLES Também conhecida como fermentação em batelada ou por carga é utilizada desde antiguidade, e ainda hoje são as mais empregadas para obtenção de vários produtos; consiste na preparação do substrato adequado ao desenvolvimento do microrganismo; colocar esse substrato em um biorreator ; adicionar o microrganismo responsável pelo bioprocesso e aguardar que o processo ocorra; Após o tempo necessário de processo, retira-se o caldo do biorreator e executa-se as operações unitárias necessárias para a recuperação e purificação do produto.

16 PROCESSO DESCONTÍNUO 1. DESCONTÍNUO SIMPLES No nível de aplicações práticas, para um bioprocesso razoavelmente evoluído, dificilmente será conduzido como um reator descontínuo simples, havendo freqüentemente alguma elaboração adicional;

17 PROCESSO DESCONTÍNUO 1. DESCONTÍNUO SIMPLES

18 PROCESSO DESCONTÍNUO 1. DESCONTÍNUO SIMPLES Terminada a fermentação, descarrega-se se a dorna, e o meio fermentado enviado para a recuperação do produto, e novamente a dorna é utilizada para outra fermentação; Se não houver adição de soluções para controle do processo e nem perda de líquido por evaporação, o volume no decorrer da fermentação, permanece constante.

19 PROCESSO DESCONTÍNUO 1. DESCONTÍNUO SIMPLES

20 PROCESSO DESCONTÍNUO 1. DESCONTÍNUO SIMPLES A fermentação descontínua pode levar a baixos rendimentos e produtividade, quando o substrato é adicionado de uma só vez, podendo exercer inibição; Apresenta tempos mortos tempos em que a fermentação não esta ocorrendo, como tempo de carga e de descarga, lavagens e esterilização dos equipamentos.

21 PROCESSO DESCONTÍNUO 1. DESCONTÍNUO SIMPLES Grande flexibilidade de operação; Possibilidade de realizar fases sucessivas no mesmo recipiente; Condições de controle mais simples; Capacidade de identificar todos os materiais relacionados ao processo; Apresenta menores riscos de contaminação se comparada a fermentação contínua; É o processo mais utilizado na indústria de alimentos (iogurte, aguardentes, cerveja, vinho, etc.

22 PROCESSO DESCONTÍNUO DESCONTÍNUO COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULA É utilizado como inóculo as células da fermentação anterior. (para isso pode-se utilizar parte do meio de fermentação ainda homogêneo, esperar que o microrganismo sedimente no fermentador ou ainda centrifugar o meio fermentado). Há uma tendência em aumentar o número de contaminação a cada fermentação. Técnica comum em destilaria de álcool.

23 PROCESSO DESCONTÍNUO DESCONTÍNUO COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULA Uma alternativa ao processo descontínuo simples é a recirculação de células, ou seja, ao se encerrar a batelada efetua-se a separação das células por centrifugação ou mesmo sedimentação no interior do próprio biorreator, enviando apenas o líquido fermentado para a recuperação do produto; Com isso busca evitar o preparo de um novo inoculo para cada batelada, reduzindo custos e redução de tempo para a obtenção de altas concentrações de célula no reator; Esse processo é também conhecido como batelada repetida.

24 PROCESSO DESCONTÍNUO DESCONTÍNUO COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULA

25 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA DESCONTÍNUO COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULA Reaproveitamento do inóculo da cultura anterior; Espera-se se que o microrganismo flocule (cerveja), ou centrifuga-se o meio fermentado (álcool); Aumenta-se o risco de contaminação em cada nova batelada; Necessidade de tratamento da suspensão de células, com água e ácido sulfúrico, eliminando contaminantes e leveduras em degeneração.

26 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS NO FINAL DA FERMENTAÇÃO Decantação: no final da fermentação, as leveduras vão para o fundo do fermentador; Retira-se o vinho para a destilação por um tubo lateral; Recupera-se as leveduras do fundo do tanque e reinicia nova fermentação Em intervalos regulares, realiza-se o tratamento das leveduras ácidos e e adição de farinhas. com

27 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS NO FINAL DA FERMENTAÇÃO Melle-Boinot No final da fermentação as células de leveduras são separadas do vinho por centrifugação; As leveduras são tratadas com H 2 SO 4 (ph ) por 3 h em tanques menores conhecidos como cubas de tratamento onde recebem também nutrientes e oxigêno.

28 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS NO FINAL DA FERMENTAÇÃO Melle-Boinot-Almeida: No final da fermentação, o vinho sobrenadante é retirado da dorna por um tubo lateral, e enviado para centrífugação; As células obtidas da centrifugação tem tratamentos conforme descrito anteriormente; As leveduras então ativadas iniciam uma nova etapa de produção de álcool. +

29 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA 3. PROCESSO DE CORTES Inicia-se o processo normalmente em uma Dorna A; Quando a fermentação atingir a fase adequada passe a metade do volume da Dorna A, para uma Dorna B, até então vazia; Em seguida completa-se o volume das duas dornas; Os cortes podem ser feitos na fase de crescimento mais ativa, ou no final da fermentação; Estes cortes podem ser feitos sucessivamente mas podem sofrer sérias quedas no rendimento do processo.

30 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Processo de Cortes Inóculo Corte (50 %) + Mosto Dorna A mosto Dorna B mosto Atenuação (50 %) + Atenuación (100 %) Atenuación (50 %) destilação corte

31 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Processo de Cortes A sucessão de cortes, pode proporcionar serias quedas no rendimento do processo, quando o meio não é esterilizado; O número de cortes não pode ser previsto, depende da situação em que se encontra o processo; As particularidades e experiência adquirida no dia a dia, é que vai propor modificações no processo visando aumentar o rendimento e produtividade.

32 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Processo de Cortes

33 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA NÚMERO DE DORNAS Considere, uma instalação funcionando por processo descontínuo, onde o líquido fermentado deva abastecer de maneira ininterrupta, o setor de separação dos produtos BORZANI, sugeriu uma metodologia para calcular o número de fermentadores para um processo descontínuo.

34 CÁLCULO DO NÚMERO DE DORNAS Custo de um fermentador e espaço que este ocupa justifica a importância de se determinar o número de fermentadores necessário para uma certa produção Considerações: - Sistema descontínuo - Deve haver fornecimento ininterrupto de meio fermentado ao setor de tratamentos finais - Não se emprega o sistema de cortes

35 Definem-se as seguintes variáveis: F: vazão média de líquido fermentado que deve ser fornecido ininterruptamente ao setor de tratamentos finais (L/h); t f : tempo necessário para que o conteúdo de uma dorna fermente completamente (h); V: capacidade útil da dorna (L); D: número de dornas, de capacidade útil V, necessário para garantir a vazão F de líquido fermentado; t d : tempo necessário para se descarregar uma dorna (h); t c : tempo necessário para se limpar e carregar uma dorna (h);

36 F depende: a) da massa de produto final desejada no tempo t (M); b) da concentração de produto (C); c) do rendimento do processo de recuperação (r); M F = C. t. r t f depende do processo fermentativo e t d pode ser calculado por: V t d = F Para fins de dimensionamento de uma instalação, é razoável considerar t c = t d.

37 Considerando instante zero o início do trabalho com a dorna 1, a dorna D deverá começar a funcionar no instante (D-1).t d Cronograma de funcionamento de dornas em um processo descontínuo. (1) Início do preparo da dorna; (2) fim da carga; (3) fim da fermentação; (4) fim da descarga.

38 Por outro lado, a dorna D deverá começar a funcionar no instante t d + t f : Cronograma de funcionamento das dornas número 1 e número D. (1) Início do preparo da dorna; (2) fim da carga; (3) fim da fermentação; (4) fim da descarga.

39 Assim, pode-se escrever: (D-1). t d = t d + t f D = D = 2 + t f / t d t d = V F 2 + F. t f V

40 A expressão permite calcular D quando se conhece V, F e t f. F e t f V? Depende do fabricante e/ou disponibilidade Ou pode-se calcular o chamado número econômico de dornas

41 Sendo p o custo de um fermentador de volume útil igual a V, é válida a equação empírica: p = k. V a Onde k e a são parâmetros que dependem das condições econômicas locais no momento considerado, sendo 0 < a < 1. Considerando P o custo de D fermentadores, tem-se: P = p. D = k. (F. t f ) a. D / (D-2) a

42 Derivando essa equação e igualando-se a derivada a zero, obtém-se o valor mínimo para P, caso em que D é chamado de E. Fazendo k, F, t f e a (que são constantes) iguais a K, tem-se: P = K. D / (D-2) a Derivando-se e fazendo dp/dd = 0 obtém-se: D = E = 2 / (1 a) Que, substituído na equação para o cálculo de D resulta: V e = F.t f. (1 a) / 2a

43 Definição de D e V sem se conhecer k e a: 1) Lista de preços de diversas dornas (p); 2) Calcula-se D para cada V; 3) Calcula-se P para cada D (p. D); 4) O valor mínimo de P corresponde a D e V. O valor de E pode não atender a todos os requisitos do processo. Neste caso, deve-se escolher um valor de D que satisfaça aos requisitos mais importantes e que esteja o mais próximo possível de E.

44 FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA Vantagens e inconvenientes dos processos contínuos e descontínuos de fermentação alcóolica; Processo Descontínuo (batelada e batelada alimentada) Processo Contínuo Vantagens - maior controle - maior produtividade sobre contaminação - tempos de residência reduzidos - maior adaptabilidade ao controle automático Inconvenientes - inibição pela concentração - contaminação e mutação de açúcar e etanol - menor flexibilidade - tempo de residência longo - baixa produtividade 78

45 PROCESSO DESCONTÍNUO 2- BIORREATOR IDEAL DESCONTÍNUO X V 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

46 PROCESSO DESCONTÍNUO 2.2- Balanço de massa para o nutriente [ variação de S no reator ] = [ consumo para crescimento ] ds V dt = ds V 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 = Yx / s Y x / s logo, substituindo µ S na equação do B. M. para S vem: ds = dt µx Y x/s

47 PROCESSO DESCONTÍNUO 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 gcélula. Pr od. = P = = Lh. gx Lh. 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.

48 PROCESSO DESCONTÍNUO 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

49 PROCESSO DESCONTÍNUO 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.

50 PROCESSO DESCONTÍNUO Exercício Uma instalação industrial foi projetada de acordo com a seguinte equação: p = k.v 0,75 O tempo de separação do produto é igual a 8 horas, sendo igual ao tempo de limpeza e de enchimento de cada dorna. A vazão de mosto enviado para a separação do produto é de 400 m 3 /h. Calcular: O número de dornas? O volume de mosto para cada dorna? O tempo de fermentação?