NUA. CARACTERÍSTICAS: alimentação contínua do meio de cultura; volume de reação constante no fermentador;

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Isabella Coradelli Santos
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1 FERMENTAÇÃO CONTÍ CARACTERÍTICA: alimentação contínua do meio de cultura; volume de reação constante no fermentador; Biorreator para Fermentação Contínua, da Microcervejaria da UP.

2 FERMENTAÇÃO CONTÍ primordial a condição de estado estacionário ( steady state ); ou regime permanente condição na qual as variáveis de estado (X, limitante e P) permanecem constantes ao longo do tempo de operação do sistema.

3 CONTÍNUO EM UM ÚNICO ETÁGIO: sem e com reciclo de células CONTÍNUO EM MÚLTIPO ETÁGIO: com uma única alimentação (com ou reciclo) e com múltiplas alimentações (com ou sem reciclo). FORMA DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍ

6 FERMENTAÇÃO - DORNA Fermentação Continua MOTO ÁCIDO ÁGUA CENTRÍFUGA TRATAMENTO DO FERMENTO DETILAÇÃO

7 FERMENTAÇÃO CONTÍ -Vantagens da Fermentação Contínua: -Aumento da produtividade do processo, em virtude de uma redução dos tempos mortos ou não-produtivos; -Obtenção do caldo fermentado uniforme, o que facilita o projeto das operações de recuperação dos produtos de interesse ( downstream );

8 FERMENTAÇÃO CONTÍ -Vantagens da Fermentação Contínua: -Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, o que torna o processo contínuo uma excelente ferramenta para estudos de mecanismos de regulação metabólica ou, ainda, para estudos de otimização da composição de meio de cultura; -Possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha de produção.

9 FERMENTAÇÃO CONTÍ -Vantagens da Fermentação Contínua: -Maior facilidade no emprego de controles avançados; -Menor necessidade de mão de obra;

10 FERMENTAÇÃO CONTÍ - Desvantagens da Fermentação Contínua: -Maior investimento inicial na planta; -Possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas, resultando na seleção de mutantes menos produtivos; -Maior possibilidade de ocorrência de contaminações, por se tratar de um sistema essencialmente aberto, necessitando pois, de manutenção de condições de assepsia nos sistemas de alimentação e retirada de meio, desde que o processo assim o exija;

11 FERMENTAÇÃO CONTÍ - Desvantagens da Fermentação Contínua: -Dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator, quando se trabalha com baixas vazões, ou quando o caldo adquire comportamento pseudoplástico, como é o caso de cultivo de fungos filamentosos; -Dificuldades de operação em estado estacionário em determinadas situações (formações de espuma, crescimento de microrganismos nas paredes do reator, ou ainda,nos sistemas de entrada e saída do líquido).

12 FERMENTAÇÃO CONTÍ FORMA DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍ 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.

13 FERMENTAÇÃO CONTÍ FORMA DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍ 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.

14 Xo: Concentração de Células no meio de alimentação (g/l). FERMENTAÇÃO CONTÍ Fermentação Contínua - Nomenclatura Usual: Yx/s: Fator de Conversão de ubstrato em Células (ex: g x /g s ). µx; µs; µp: Velocidades Específicas de Crescimento Celular (ex: h -1 ); Consumo de ubstrato (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).

15 FERMENTAÇÃO CONTÍ Fermentação Contínua - Nomenclatura Usual: : Concentração de ubstrato Limitante no Reator (g/l). o: Concentração de ubstrato 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 ).

16 FERMENTAÇÃO CONTÍ V eq.(1) Variação da massa de célula no reator dx dt Massa de célula que entra Massa de célula que sai = - + = FX FX A velocidade instantãnea de crescimento o + V dx dt Massa de célula que aparece devido ao crescimento crescimento dx dt = μx eq.(2)

17 FERMENTAÇÃO CONTÍ Define-se D, como a vazão específica de alimentação D F = ( h V e 1 ) eq.(3) 1 = D tempo de residência eq.(4)

18 FERMENTAÇÃO CONTÍ Então, substituindo dx dt = D X X ) ( 0 + μx eq.(5) frequentemente o meio é esterilizado, normalmente X o =0 portanto dx dt = μx DX eq.(6) μx = DX eq.(7) eq.(8) μ = D

19 De forma análoga FERMENTAÇÃO CONTÍ eq.(9) d dt = D( 0 ) + μ s X eq.(10) como, Y X / = μ μ X eq.(11) então d dt = D( 0 ) + Y μ X x / X dp eq.(12) e dt = D( P P) 0 + μ P X

20 FERMENTAÇÃO CONTÍ Considerando que no estado estacionário ds/dt=0 eq.(13) μ X = Y x D( / s 0 ) e, µ=d eq.(14) X = Y X ( / 0 )

21 FERMENTAÇÃO CONTÍ Para operação do biorreator é extremamente necessário: Conhecer o comportamento das variáveis, X, e P no estado estacionário, em função da vazão específica de alimentação D, a fim de se obter faixas ideais de operação do sistema, tendo em vista a produtividade do processo

22 FERMENTAÇÃO CONTÍ MODELO DE MONOD eq.(15) μ μ = max k s + e, µ=d e isolando, tem-se eq.(16) = k D μ max D

23 FERMENTAÇÃO CONTÍ ubstituindo eq. 16 na eq. 14 eq.(17) X = Y X / Por outro lado a produtividade de célula no sistema contínuo é dada por 0 μ k max D D eq.(18) P X = DX = DY X / K μ k max D D

24 FERMENTAÇÃO CONTÍ Estado estacionário de lavagem, ou lavagem wash-out, D critico = Vazão específica de alimentação = Máximo de µ

25 FERMENTAÇÃO CONTÍ

26 FERMENTAÇÃO CONTÍ EXEMPLO PRÁTICO DE FERMENTAÇÃO CONTÍ Em um processo fementativo, em que a lei de Monod, se aplica, obteve-se os seguintes parâmetros: µ max = 0,5 h -1 K s = 2 g/l F = 15 L/h V = 100 L o = 10 g/l Y x/s = 0,51 g/g Calcular: i) a produtividade de células; ii) o tempo necessário de residência; iii) A velocidade específica de consumo de substrato

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