BIORREATORES E PROCESSOS FERMENTATIVOS

BIORREATORES E PROCESSOS FERMENTATIVOS

BIORREATORES BIORREATORES OU REATORES BIOQUÍMICOS OU REATORES BIOLÓGICOS: GRUPO 1. REATORES ENZIMÁTICOS: ONDE AS REAÇÕES OCORREM NA AUSÊNCIA DE CÉLULAS (REATORES BIOQUÍMICOS) GRUPO 2: BIORREATORES ONDE AS REAÇÕES OCORREM NA PRESENÇA DE CÉLULAS (REATORES BIOLÓGICOS)

TIPOS DE BIORREATORES 1. QUANTO AO TIPO DE BIOCATALISADOR (Células ou Enzimas) 2. QUANTO A CONFIGURAÇÃO (Células/Enzimas Livres, Enzimas ou Células Imobilizadas) 3. QUANTO À FORMA DE AGITAÇÃO DO MEIO

TIPOS BIORREATORES 1. CÉLULAS OU ENZIMAS LIVRES: Reatores agitados mecanicamente (STR, Stirred Tank Reactor eactor; (também conhecidos como reatores de mistura e são utilizado em 90% dos casos); Tamanho varia entre: 1 à 2 m 3 (microrganismos patogênicos); 100 à 200 m 3 (enzimas, antibióticos, vitaminas); Milhares de m 3 (fermentação alcoólica). Configuração: tanque cilindrico cônico, relação altura:diâmetro Entre 2:1 e 3:1 ;equipados com chicanas para evitar vórtices, e turbinas. Reatores agitados pneumaticamente (Colunas de Bolhas-bubble column, Reatores Air-Lift Lift); Reatores de fluxo pistonado (plug plug-flow flow)

TIPOS DE BIORREATORES 1. CÉLULAS OU ENZIMAS LIVRES: Reatores agitados pneumaticamente (Colunas de Bolhas- bubble column, Reatores Air-Lift Lift); Geralmente não possuem agitador mecânico, geralmente agitados por borbulhamento de ar, menores tensões de cisalhamento (utilizados para cultivos de células animais e vegetais; Reatores de fluxo pistonado (plug plug-flow flow) Inóculo e meio são misturados na entrada do sistema.

TIPOS BIORREATORES 2. CÉLULAS OU ENZIMAS IMOBILIZADAS Reatores com Leito Fixo; Possuí elevada concentração celular, com muito pouca ou nenhuma movimentação celular e isto aumenta a produtividade; Reatores com Leito Fluidizado; intensa mobilidade celular devido a injeção de ar, gás inerte, ou recirculação do meio. 3. CELULAS OU ENZIMAS CONFINADAS EM MEMBRANAS Reatores com membranas planas; Reatores de fibra oca (hollow hollow-fiber fiber)

TIPOS DE BIORREATORES 4. REATORES EM FASE NÃO AQUOSA (Fermentação Semi-Sólida) Sólida) Ausência de água livre, umidade varia entre 30 e 80% Reatores Estáticos (reatores com bandeja); Reatores com agitação (tambores rotativos); Reatores com leito fixo; Reatores com leito fluidizado gás-sólido. sólido.

TIPOS DE BIORREATORES

FORMAS DE CONDUÇÃO DO PROCESSO FERMENTATIVO 1. DESCONTÍNUO: Com um inóculo por tanque; Com recirculação de células. 2. SEMICONTÍNUO: Sem recirculação de células; Com recirculação de células. 3. Descontínuo Alimentado: Sem recirculação de células; Com recirculação de células. 4. Contínuo Executado em um reator (com ou sem recirculação de células; Executados em vários reatores (com ou sem recirculação de células.

As formas básicas de condução de um processo fermentativo são o descontínuo e o contínuo. Descontínuo alimentado e Semicontínuo são formas desenvolvidas a partir das formas básicas com o objetivo de contornar problemas inerentes a estes processos.

As diferenças entre as formas de operação podem ser bem entendidas em relação a variação do volume do cultivo, da massa total e das concentrações de células, substrato e produto em função to tempo. As diferenças são caracterizadas principalmente pelas diferentes formas de adição do substrato e dos nutrientes.

Processo Descontínuo Características principais: Todos os nutrientes são adicionados ao biorreator antes do início do processo, exceto O 2, e outros produtos químicos necessários para controle de ph e espuma. O volume no decorrer da fermentação permanece constante.

Processo Descontínuo Modo de operação:» No instante inicial o meio de fermentação é inoculado e incubado em condições adequadas;» No decorrer da fermentação nada é adicionado, exceto oxigênio (ar), antiespumante, ácido e base para controle de ph;» Terminada a fermentação descarrega-se o meio fermentado;»o fermentador é então lavado, carregado novamente e iniciado outro processo.

Processo Descontínuo Modo de operação:

Processo Descontínuo

Processo Descontínuo Vantagens:» Apresenta menor risco de contaminação (comparado ao contínuo);» Grande flexibilidade de operação, podendo-se usar os fermentadores para a fabricação de diferentes produtos;» Condições de controle mais estreitas da estabilidade genética dos microrganismos.

Processo Descontínuo Desvantagens:» Se o substrato exercer efeito de inibição, poderá ocorrer baixos rendimentos e/ou produtividades.» Apresenta tempo morto, tempo em que o fermentador não está sendo usado no processo fermentativo propriamente dito, como tempo de carga, descarga e lavagem.

Processo Descontínuo Aplicações:» É o mais utilizado na indústria de alimentos e bebidas, como: iogurte, cerveja, vinho, picles, chucrute, etc.» Permite o conhecimento básico da cinética de fermentação, para que se possa propor alternativas de condução de processo.

Processo Descontínuo Tipos de inóculo usados em processos descontínuos:» Com um único inóculo por fermentação;» Com reaproveitamento de células para o inóculo;» Com inóculo por sistema de corte.

Processo Descontínuo Com um único inóculo por fermentação:» Propagado a partir de uma cultura pura.» Oferece poucos riscos de contaminação.

Processo Descontínuo Com reaproveitamento de inóculo:» 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.

Processo Descontínuo Com reaproveitamento de células para inóculo:

Processo Descontínuo Com inóculo por sistema de corte:» O corte pode ser feito na fase exponencial, quando deseja-se propagar inóculo, ou após o fim da fermentação.»inocula-se uma dorna, quando é atingido um estágio apropriado de fermentação, passa-se parte do conteúdo para uma dorna vazia, em seguida enche-se as duas dornas com meio.» Pode levar a sérias quedas de rendimento.» O controle do rendimento pode indicar quando deve-se interromper os cortes e iniciar nova fermentação com novo inóculo.

Processo Descontínuo Com inóculo por sistema de corte:

Processo Descontínuo Alimentado É definido como um modo de operação no qual um ou mais nutrientes (incluindo substrato), ou mesmo todos os nutrientes são adicionados gradualmente durante o processo de fermentação e os produtos formados permanecem no meio até o tempo final.

Processo Descontínuo Alimentado

Processo Descontínuo Alimentado - Com reaproveitamento de células.

Processo Descontínuo Alimentado Características principais:» O volume varia durante o decorrer da fermentação (embora possa ser pequena variação em alguns casos);» A vazão de alimentação pode ser constante ou variar com o tempo, e a adição de mosto pode ser contínua ou intermitente.» É possível controlar a concentração de substrato na fermentação (podendo assim interferir no metabolismo microbiano, levando a diferentes perfis de concentração não só de substrato, mas também de células e produto).

Processo Descontínuo Alimentado

Processo Descontínuo Alimentado Aplicações:» Minimiza a repressão catabólica. Minimização dos efeitos do controle do metabolismo celular (Exemplos: produção de determinados antibióticos como neomicina, estreptomicina, bacitracina, sofrem repressão pela presença de glicose em concentrações mais elevadas)

Processo Descontínuo Alimentado Aplicações:» Prevenção da inibição por substrato. Evita que elevadas concentrações de substrato causem inibições da fermentação. (Exemplos: concentração de glicose superiores a 100 g/l podem causar inibição em fermentação alcoólica com Saccharomyces cerevisiae).

Processo Descontínuo Alimentado Aplicações:» Minimização da formação de produtos metabólicos tóxicos. (Exemplos: para E. coli, fonte de carbono em excesso, mesmo em aerobiose, levam a formação de ácido acético, inibidor do crescimento).

Processo Descontínuo Alimentado Aplicações:» Superação de problemas frequentes de estabilidade em processos contínuos. (Exemplos: contaminação, mutação espontânea e instabilidade de plasmídeos).

Processo Descontínuo Alimentado Aplicações:» Adequação do processo fermentativo a condições operacionais. (Exemplos: com o aumento do tamanho das dornas usadas nas fermentações alcoólicas, a formação de espuma passou a ser um problema devido ao grande volume dos fermentadores, entretanto, isso pode ser resolvido com a operação em sistema descontínuo alimentado).

Processo Descontínuo Alimentado Aplicações:» Estudo cinético de processos fermentativos. O processo descontínuo alimentado permite: - manter baixos níveis de substrato por longos períodos; - manter a concentração celular constante.

Processo Semicontínuo O processo de fermentação é chamado semicontínuo quando, uma vez colocado no fermentador o meio e o inóculo, as operações que se seguem obedecerem à seguinte ordem: 1º - Aguarda-se o término da fermentação; 2º - Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se no fermentador o restante do mosto; 3º - Adiciona-se ao fermentador um volume de mosto igual ao volume de meio fermentado retirado; 4º - Repete-se esta sequência.

Processo Semicontínuo

Processo Semicontínuo Características principais:» O meio fermentado não retirado do reator serve de inóculo para a próxima fermentação.

Processo Semicontínuo No sistema Semicontínuo é utilizado como inóculo as células da fermentação anterior que podem ser uma fração homogênea do meio ou mesmo células separadas por sedimentação. Um exemplo deste processo é o Melle-Boinot, usado em fermentações alcoólicas.

Processo Semicontínuo Vantagens: Possibilidade de operar o fermentador por longos períodos (às vezes alguns meses) sem que seja necessário preparar um novo inóculo. Possibilidade de aumentar a produtividade do reator apenas modificando a forma de operação. Ex: processo de fermentação de cacau.

Processo Contínuo O processo de fermentação contínua caracteriza-se por possuir uma alimentação constante de meio de cultura com uma determinada vazão (constante), sendo o volume de meio no reator, mantido inalterado através da retirada contínua de caldo fermentado. Pode ser operado por longos períodos de tempo em estado estacionário.

Processo Contínuo Vantagens em relação ao descontínuo:» Aumento da produtividade do processo;» Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico;» Maior uniformidade do processo;» Possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha de produção;» Menor necessidade de mão-de-obra.

Processo Contínuo Desvantagens em relação ao descontínuo:» Maior investimento inicial;» Possibilidade de ocorrência de mutação genética espontânea (com consequente queda da produtividade);» Maior possibilidade de contaminação;» Dificuldade de manutenção da homogeneidade;» Dificuldade de operação em estado estacionário em determinados processos.

Processo Contínuo Aplicações: A utilização do processo contínuo de fermentação encontra grandes aplicações práticas, como: fermentação alcoólica, tratamento de resíduos. Estes casos citados são processos não assépticos. Em processos em que se necessita de maior assepsia, como produção de enzimas e antibióticos, o processo contínuo encontra ainda aplicações restritas.

Processo Contínuo Formas de operação no sistema contínuo: A operação inicia-se como um processo descontínuo e a partir de um dado momento inicia-se a alimentação de nutrientes e a retirada de meio fermentado. Após um tempo o sistema convergirá ao estado estacionário.

Processos Fermentantivos Processo Contínuo Formas de operação no sistema contínuo: O sistema contínuo é extremamente versátil quanto as suas várias possibilidades de operação, tais como: Processo contínuo Único estágio Múltiplos estágios Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação Com múltiplas alimentações Sem reciclo de células Com reciclo de células Sem reciclo de células Com reciclo de células

Processo contínuo Único estágio Múltiplos estágios Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação Com múltiplas alimentações Sem reciclo de células Com reciclo de células Sem reciclo de células Com reciclo de células

Classificação dos biorreatores Processos Fermentativos Processo contínuo Único estágio Múltiplos estágios Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação Com múltiplas alimentações Sem reciclo de células Com reciclo de células Sem reciclo de células Com reciclo de células

Classificação dos biorreatores Processos Fermentativos Processo contínuo Único estágio Múltiplos estágios Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação Com múltiplas alimentações Sem reciclo de células Com reciclo de células Sem reciclo de células Com reciclo de células

Classificação dos biorreatores Processos Fermentativos Processo contínuo Único estágio Múltiplos estágios Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação Com múltiplas alimentações Sem reciclo de células Com reciclo de células Sem reciclo de células Com reciclo de células

Classificação dos biorreatores Processos Fermentativos Processo contínuo Único estágio Múltiplos estágios Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação Com múltiplas alimentações Sem reciclo de células Com reciclo de células Sem reciclo de células Com reciclo de células

Classificação dos biorreatores Processos Fermentativos Processo contínuo Único estágio Múltiplos estágios Sem reciclo de células Com reciclo de células Com uma única alimentação Com múltiplas alimentações Sem reciclo de células Com reciclo de células Sem reciclo de células Com reciclo de células

Processos Ferementativos Processo Contínuo Como o reator opera em estado estacionário (não há variação de X, S e P em função do tempo), para um dado processo fermentativo X, S e P variam em função da vazão específica de alimentação D (F/V). P X = D.P

Processo Contínuo A concentração celular permanece praticamente constante em uma grande faixa de valores de D. As maiores produtividades estão próximas de D=µ max, mas esta é uma condição muito instável. Por isso costuma-se trabalhar com D em torno de 10 a 15% menor que µ max.