1

Engenharia das Fermentaes

Mestrado Integrado em Bioengenharia Especializao em Engenharia Biolgica

Mestrado Integrado em Engenharia Qumica Especiali zao em Biotecnologia

Manuel Jos Vieira Simes

Ano letivo 2013/2014

2

ObjectivosPretende-se que os estudantes adquiram a capacidade de plan ear,

dimensionar e analisar a operao de reactores com clulas ( em particular,

microbianas) em suspenso e em agregados celulares (inclui ndo biomasssa

fixa). Esta unidade curricular tambm visa dotar os estudan tes de

conhecimentos de anlise e dimensionamento de unidades com plementares

de processos fermentativos.

MtodosExposio formal dos fundamentos tericos e metodologias d e abordagem,

usando videoprojector e material online acessvel atravs na Internet, e

resoluo de problemas, acompanhados de alguns exemplos de aplicao.

Sero propostos para estudo individual a resoluo de probl emas mais

complexos que podem exigir, em alguns casos, suporte inform tico

(Microsoft Excel ou plataforma similar; SuperPro Designer ; Berkeley

Madonna). Propem-se exemplos de dimensionamento de bio-r eactores,

onde se aplicam regras fundamentais de modelao e projecto .

3

Programa1. Integrao do biorreatores em processos industrial; Esq uema geral de um

processo fermentativo; Caractersticas gerais de microrg anismos e meios decultura utilizados industrialmente.

2. Fundamentos de balanos de material (balanos de massa a u m ou maiscomponentes; balanos em mltiplas unidades; balanos em u nidades comreciclagem bypass e purga). Biorreatores de clulas microb ianas: classificao;reactores com biomassa suspensa e com biomassa fixa. Modos d e operao debiorreatores (batch, fed-batch, contnuo). Caractersti cas fsicas do equipamento.

3. Modelao e simulao de processos em biorreatores micro bianos: exemplosilustrativos; utilizao de software especfico.

4. Agitao e arejamento (Conceito de transferncia de mass a; Coeficiente decorrelao de transferncia de massa; Quantificao da re a interfacial;Determinao da taxa de absoro/transferncia de oxigni o; Correlaes paraKLa ; Conceito de hold-up).

5. Esterilizao (Mtodos de esterilizao; Cinticas de m orte trmica; Esterilizao emdescontnuo e em contnuo; Esterilizao de ar).

6. Conceitos gerais de variao de escala em biorreatores.

4

AvaliaoModo de avaliao dos conhecimentos: avaliao distribud a com exame final.A classificao final ser calculada de acordo com os seguintes componentes de

avaliao:

Exame final com um factor de ponderao de 60% na classifica o final;

Componente prtica - 30%;

Desempenho nas aulas 10%;

Exame de recurso.

Para obteno de classificao positiva, o estudante dever obter uma classificao global mnima

de 9.5 valores. No entanto, o exame final dever ter uma class ificao superior a 8 valores.

5

Bibliografia recomendada

Bailey J.E., Ollis D.F. (1987). Biochemical Enginee ring Fundamentals.

McGraw-Hill.

Lee J.M. (2001). Biochemical Engineering. Prentice- Hall Inc.

Lopes A.M., Fonseca A. (1996). Biologia microbiana. Universidade aberta.

Ferreira W.F.C., de Sousa J.C.F. (1998). Microbiolo gia. Volume 1. Lidel

edies Tcnicas, Lda.

Fonseca M.M., Teixeira J.A. (2007). Lidel edies tcnicas, Lda.

6

Classificao de BioprodutosOs bio-produtos podem ser classificados grosseiramente nas seguintes categorias: pequenasmolculas, consistindo em compostos qumicos simples e antibiticos, hormonas,aminocidos e vitaminas; macromolculas: protenas, polissacridos e cidos nucleicos;outros produtos: clulas, esporos, lipossomas, organeloscelulares.

Sumrio da previso (2000-2010) de rendimento da industria biotecnolgica nos Estados Unidos daAmrica por sectores chave (adaptado de Harrisonet al. 2003)

0

25

50

75

100

Enz im as aplicaoindustrial

Diagnstico Teraputica

Gra

u de

pur

eza

(%)

Grau de pureza necessrios para diferentes produtos e aplicaes.

Harrison et al. (2003). Bioseparations Science and Engineering. Oxford University Press.

7

Fluxograma da produo de fermento de padeiro (Lee, 2001).

8Instrumentao de controlo associada operao de um bio-reactor perfeitamente agitado (Lee, 2001).

9

Fluxograma do processo de produo de penicilina (V ogel & Todaro, 1997).

Nutrientes

Arrefecimento

10

Fluxograma de um processo fermentativo (fermentador e todas a unidades de controlo necessrias) (Lee, 2001).

11

Produtos industrias obtidos por processos biolgico s (Lee, 2001)

12

Os custos de produo dependem fundamentalmente do bom ou mau funcionamento do reactor.

13

Produo da Insulina Humana

A insulina humana um polipptido com 51 aminocidos associados em duas cadeias: A com 21 aminocidos, e B contendo 30 aminocidos. Esta molcula pode ser produzida por quatro mtodos diferentes:

Extraco do pncreas humano;

Sntese qumica a partir de aminocidos individuais;

Sntese parcial converso enzimtica de insulina obtida de outras espcies;

Fermentao com microrganismos geneticamente modificados (t ecnologia de DNA recombinante).

14

Mtodos utilizados na ruptura celular.

15

Estgios de recuperao de um produto extracelular solvel a partir de meio de fermentao.

16

Qualidade do Processo e do Produto

A quantificao da qualidade do produto aps proces samento dada essencialmente pela pureza do produto final, a pureza em cada estgio do processo, a actividade especfica e e rendimento do processo.

Pureza = quantidade de produto final/quantidade de p roduto final + quantidade de impurezasA pureza em cada estgio calculada pela pureza no estgio em estudo e a pureza no incio do processo.

Actividade especfica = Unidades de actividade biol gica/Massa

Rendimento = Quantidade de produto final/Quantidade de produto alimentado

Critrios para o desenvolvimento de um processo

Grau de pureza do produto final; Custos de produo/rentabilidade; Escalabilidade; Reprodutibilidade e facilidade de implementao; Robustez no que respeita a um possvel fluxo de vari veis de processo.

17

Princpios Bsicos de Anlise em Engenharia

O objectivo da anlise de processos em engenharia para determinar a quantidade deproduto final produzida e a sua rapidez de produo. Esta inf ormao pode ser obtida pelaresoluo de equaes envolvendo a quantidade de produto in icial, taxa de processamentoe, possivelmente, a pureza do produto final.

A obteno dos valores de tais variveis requer um conjunto de equaes base derivadas detrs conceitos essncias de anlise de processo em engenharia: equilbrio; balanode material e fluxo ou fenmenos de transporte.

Balano de MaterialAcumulao = entrada sada + produo consumo

EquilbrioUma reaco qumica no equilbrio dada pela expre sso:

A + B CE pode ser caracterizada pela constante de equilbrio (Keq):

Keq = [C]/[A]+[B] , com a concentrao em molar ou molaridade .

18

Fenmenos de TransporteO fluxo de um determinado fluido pode ser descrito pela expresso:

Fluxo = coeficiente fora motriz

Em que o coeficiente representa a permeabilidade ou o inverso da resistncia, dependendodas propriedades do meio. O fluxo e a fora motriz tm unidades iguais.

Da expresso acima descrita obtm-se a Lei de Ohm :Je = C E

Em que Je a densidade de corrente,C a condutividade elctrica (propriedade do meio) eE o gradiente de potencial elctrico.

A Lei de Fick aplica-se a fluxo devido ao gradiente de concentraes (dc/dx) numadimenso:

Je = Ddcdx

Em que D o coeficiente de difuso, uma propriedade do meio, em alguns casos calculadopela expresso de Stokes-Einstein para esferas:

D = kT6 a

Em que k constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta, a viscosidade e a o raio dapartcula.A Lei de Darcy de grande interesse parasistemas porosos :

Jw = Lp pEm que Jw o fluxo de fluido, Lp o coeficiente de permeabilidade de Darcy e p a quedade presso atravs do meio poroso (por exemplo filtro ou resina absorvente, sistemasfrequentemente utilizados em bioprocessos).

19

Cultura de Clulas Microbianas

Os microrganismos so usados desde os tempos pr-histricos na biotransformao de alimentos, bebidas alcolicas, produtos lcteas, txteis, etc.

Actualmente so tambm utilizados na produo de pr odutos qumicos e farmacuticos, enzimas, em tecnologias recombinantes de DNA, no tratamento de guas e efluentes, bioremediao, etc.

Efeito das Condies Ambientais no Crescimento de M icrorganismos

De grande influncia no crescimento dos microrganismos - todos os processo de crescimento so dependentes de reaces qumicas, as quais so afectadas pela temperatura. De acordo com as condies temperatura ptima de crescimento podemos ter microrganismos:

Psicrfilos; Mesfilos; Termfilos.

20

Relativamente atmosfera gasosa , podem ser:

Aerbios; Facultativos; Anaerbios.

Relativamente ao pH do meio extracelular , podem ser:

Acidfilos; Neutrfilos; Basfilos.

Em termos de presso osmtica e concentrao de gua no interior da clula (relacionado com as concentrao de sais no meio), as clulas po dem ser:

Osmfilas; Halfilas; Xerfilas.

21

Classificao baseada em processos bioenergticos e fontes de carbono

Classificao em termos de energia

Organismos

FototrofosQuimiotrofos

Litotrofos Organotrofos

Classificao em termos de fonte de carbono

Organismos

HeterotrofosAutotrofos

22

Classificao Nutricional dos Microrganismos

23

Os componentes mais comuns na composio de um meio de crescimento fazem parte as sequintes categorias:

1. Fonte de nutrientes , essencialmente azoto (peptonas, infuses, extrato s);

2. Fonte de energia (glicose e outros aucares);

3. Factores de promoo de crescimento (sangue, soro, vitaminas, NADH);

4. Tampo para manuteno de pH em meios de fermentao (sais de fosfato, acetato e

citrato solveis);

5. Sais minerais e metais, para melhorar o crescimento (PO 4-2, SO4-2, Ca+2, Mg+2, Fe+2,

Mn+2 e metais);

6. Agentes selectivos de crescimento (antibiticos);

7. Corantes indicadores (indicao de mudanas de pH no meio, durante e dep ois do

crescimento de microrganismos - fenol vermelho, vermelho neutro, bromocresol prpura);

8. Agentes de solidificao (agar, gelatina, alginato).

24

Modelos de crescimento microbiano

25

Estudo da Cintica do Crescimento Microbiano

O crescimento de uma populao microbiana estudado por anlise da respectiva curva decrescimento. Quando os microrganismos so cultivados num m eio lquido em sistemafechado as concentraes de nutrientes decrescem enquanto aumentam as concentraesde produto do metabolismo. Relativamente ao crescimento microbiano, este assumediferentes estados ao longo do tempo. O crescimento dos microrganismos pode serrepresentado graficamente como o logaritmo decimal do nmero de clulas em funo dotempo de incubao. A curva resultante caracteriza-se esse ncialmente pelas seguintesfases: fase de arranque ou latncia (lag), fase exponencial de cres cimento (log), faseestacionria e fase de lise celular.

Curva de crescimento bacteriano num sistema fechado.

26

Modelos no-estruturados das cinticas de crescimen to e consumo de substrato

Em geral, os modelos no-estruturados podem ser con siderados boas aproximaes quando a composio celular dependente do tempo ou quand o a composio das clulas irrelevante escala industrial. Contudo, extrapola es destes modelos devem ser efectuadas com as devidas consideraes.

, qS

S

1

7

23

4

5

6

Diagrama dos modelos matemticos que descrevem a relao entre a taxa especfica de crescimento ou a taxa especfica de utilizao de substrato e a conc entrao limitante de substrato. 1-Cintica de Mono d; 2-Cintica de Monod com inibio pelo substrato; 3- Ci ntica de Monod com inibio pelo substrato a concentraes elevadas de biomassa; 4 Semelhante a 3 e com inibio pelo produto; 5 Semelhante a 4 e com metabolismo endgeno; 6 Semelhante a 4 e com metabolismo sequencial de dois substratos; 7 Fase de transio (por exemplo fase de latncia).

27

Parmetros do Crescimento Microbiano

Quando se arranca com uma fermentao, devem ser sa tisfeitas as seguintes condies

para o crescimento da biomassa: Inculo vivel; Existncia de fonte nutrientes e

energia; Ausncia de inibidores; Condies processu ais/fsico-qumicas adequadas.

Numa cultura axnica (sem problemas de transferncia), para o crescimento diferencial de

tempo (dt), o acrscimo da concentrao de biomassa ( dX) ser proporcional

concentrao de biomassa ( X) existente:

taxa especfica de crescimento .

O valor de obtido pela relao de Monod:

max taxa especfica mxima de crescimento; K S constante de saturao (normalmente assume valores entre 10-5 a 10-6 mol/L, variando significativamente com a estirpe utilizada).

XdtdX

.m=

SKSS

+=

.maxmm

28

Quando constante, da integrao da expresso anterior ob tm-se:

X0 concentrao de biomassa para t 0.

Para t >> t0, obtm-se:

A partir desta expresso possvel determinar o tempo de duplicao de uma culturamicrobiana (td). A lei exponencial de crescimento s aplicvel quando as condies decrescimento permanece constantes.

Quando X = 2.X0 obtm-se:

).(lnln 00 ttXX -+= m

).exp(.0 tXX m=

m2ln

=dt

29

Os efeitos de diferentes nutrientes na taxa de crescimento celular pode ser comparado com

base na concentrao que suporta metade da taxa mxima de crescimento. Este valor ser a

constante de saturao (K S), assumindo um valor entre 10 -5 a 10-6 M, correspondendo a

uma concentrao de glucose entre 20 e 200 mg/L . Geralmente, o valor de KS para

enzimas respiratrias, associadas com o metabolismo de au cares, inferior ao valor de KSpara enzimas hidrolticas, associadas com o consumo de substratos primrios.

A constante de saturao para a levedura Saccharomyces cerevisiae em glicose de 25

mg/L, para as bactriasEscherichia coli em lactose e Pseudomonas fluorescens em metanol

de 20 mg/L e 0.7 mg/L, respectivamente. A taxa especfica mxima de crescimento ( max)

atingida quando S >>> KS, mantendo-se as concentraes de to dos os nutrientes essenciais

constantes.

O efeito da concentrao elevada de nutrientes ou p rodutos pode ser expressa de uma forma emprica:

KI Constante de inibio (g/L)I Concentrao de inibidor (g/L)IK

KI

I

+=

.maxmm

30

difcil determinar com rigor o valor exacto de K S. Estes valores encontram-se abaixo dos

limites de deteco dos mtodos analticos disponveis. Ta mbm difcil definir as condies

ambientais de modo a ter resultados comparveis. Tal como referido anteriormente, o valor

de KS varia com a estirpe utilizada.

As tcnicas disponveis incluem:

Medida instantnea da concentrao do substrato limitante num quimiostato;

Medida das velocidades de crescimento iniciais com diferentes concentraes iniciais desubstrato em culturas descontnuas;

Medida das taxas de diluio crticas em quimiostatos com di ferentes concentraes desubstrato entrada;

Mtodo de estado estacionrio de Button (a abordar na secosobre culturas contnuas).

31

Modelos alternativos ao de Monod:

SKKS

SXKSSK

S

e

DS

S

nS

n

KSS

++=

+=

+=

-= -

)(

)1(

max

.max

max

/max

mm

mm

mm

mmTeisser (1936)

Moser(1958)

Contois (1959) e Fujimoto (1963)

Powell (1967)

32

Para um crescimento limitado por um nico substrato

SKSS

+= maxmm S

KS S

+=

max

1mm

SKS 111

maxmax

+=mmm

bmxy +=

Equao de Monod Linearizao de Lineweaver-Burke(ajuste cintica enzimtica)

33

O substrato limitante o nutriente que controla o crescimento e pode ser a fonte decarbono, de azoto ou mesmo o oxignio.

Apresentam-se de seguida valores de velocidades mximas decrescimento e constantesde Monod para vrios organismos:

Blanch H, Clark D, Biochemical Engineering, Dekker, 1996

34

Em situaes particulares o crescimento pode estar limitad o simultaneamente por 2substratos, por exemplo a fonte de carbono (S1) e o Oxignio (S2)

Assim sendo a equao escreve-se da seguinte forma:

2

2

1

1max

21SK

SSK

S

SS +

+= mm

Blanch H, Clark D, Biochemical Engineering, Dekker, 1996

35

Rendimento

O rendimento Yi/j definido como a relao entre a velocidade de consumo de sub strato (-rj)e a velocidade de produo (r j):

Rendimento em Biomassa

O rendimento em biomassa (YX/S) representa o acrscimo de biomassa (dX) devido ao consumo de uma determinada quantidade de substrato (dS) e dado pela expresso:

Se as condies da cultura forem constantes ao long o do perodo de operao:

O rendimento em produto ser:

dSdX

Y SX =/

).( 0/0 SSYXX SX -=-

j

iji

rr

Y -=/

S

PSP

rr

Y -=/

36

Um rendimento extremamente importante o de produo de biomassa:

CH2O +.. CH 1.8O0.5N0.16S0.0045P0.0055

YX/S =1mol/mol = 0.81Kg/Kg

No entanto, foi determinado experimentalmente que:

YX/S = 0.67 mol/mol = 0.55 Kg/Kg

Os valores variam em funo do substrato consumido e da estirpe utilizada.

Considere-se a oxidao, por via microbiolgica, do etileno em epxido:

2C2H4 + O2 2C2H4O YP/S = 1 mol/mol = 1.57 Kg/Kg

Se for seguida a via metablica, verifica-se que necessria a regenerao de um cofactor proveniente da oxidao parcial do epxido formado . O etileno consumido para produzir epxido mais do que o que aparece na equao anterior.

Consequentemente:

YP/S = 0.75 mol/mol = 1.18 Kg/Kg (Rendimento tcnico mximo)

37(Bailey e Ollis, 1987)

38

Quocientes Metablicos

A velocidade de consumo de substrato numa cultura microbiana :

qS quociente metablico.

O quociente metablico de uma cultura vem sempre afectado po r um ndice correspondente ao substrato

(qG quociente de consumo de glucose; q L quociente de consumo de lactose; q C quociente de

consumo de carbono).

Produo, Crescimento Microbiano e ManutenoUm organismo consome substrato para diferentes objectivos:

XqdtdS

S.=SX

SY

q/

m=

xSSP

p

SX

xS Mm

Yr

Yr

r .//

++=-Biomassa (mol)

Coeficiente de manuteno (mol subst./(mol biom.s))

Crescimento celular Formao de produto(mol subst./s)

SKSq

qS

SS

+=

.max

Taxa especfica de consumo

39

Rendimento Global dos Microrganismos

O rendimento global (YG) permite quantificar a eficincia com que o substrato convertido em produto.

Para a formao aerbia de produtos:

Em que r X= .MX e rP=qP.MX (qP quociente metablico associado produo)

Reescreve-se:

XSSP

p

SX

X

p

S

pSP

MmY

rYr

rrr

YG

.//

/

++=-=

P

SPS

SXP

SP

SpSP

G

qYm

YqY

YY

/

/

/

//

...

1 ++=

m

40

Quando no h formao de produto (produo aerbia de bioma ssa):

O rendimento global dado por:

XSSX

XS Mm

Yr

r ./

+=-

mSXS

SX

S

XSX

G

YmY

rr

Y/

//

.1+

=-=

41

Formao anaerbia de produto:

Combinando as equaes anteriores:

Quando no h crescimento ( =0), todo o

substrato completamente transformado

em produto:

XX

XPa

PXa

Xp

XSa

SXa

XS

S

PSP

Ga

Mr

MmY

rr

MmY

rr

rr

Y

.

.

.

/

/

/

m=

+=

+=-

-=

Sa

SXa

Pa

PXa

SPGa

mY

mYY

+

+=

/

// m

m

Sa

Pa

SPGa

m

mY =/

42

Produo anaerbia de biomassa:

Neste caso, no se pode considerar a ausncia de produto comono caso aerbio, pois ele necessrio para a produo de biomassa.

Atravs das equaes de produoaerbia/anaerbia de biomassa, podeconcluir-se que o rendimento maiorpara sistemas aerbios.

Considerando o exemplo da produo de etanol a partir de glic ose:

C1H201 0.67C1H3O0.5+0.33C1O2

Na literatura existem as seguintes relaes (em base molar) :

Baixa manuteno: -rS = 7.25rX+0.15MX (mol/s)

rP= 4.1rX+0.1MX (mol/s)

Alta manuteno: -rS = 7.25rX+0.9MX (mol/s)

rP=4.1rX+0.6MX (mol/s)

Pode extrair-se:

Baixa manuteno: Y aX/S = 0.138; maS = 0.15; YaX/P = 0.24; maP = 0.1

Alta manuetno: Y aX/S = 0.138; maS = 0.9; YaX/P = 0.24; maP = 0.6

XX

XSa

SXa

XS

Mr

MmY

rr

.

./

m=

+=-

43

YP/S(mol/mol)

(h-1)

Alta manuteno

Baixa manuteno

YX/S(mol/mol)

(h-1)

Alta manuteno

Baixa manuteno A igual valor de , tem-se maisYX/S a baixa manuteno, poisnecessita de menos energia.

44

Influncia da Concentrao de Biomassa na Taxa Espe cfica de Crescimento

Usualmente, assumido que o crescimento microbiano assume uma cintica de primeira ordem no que respeita concentrao de biomassa. N a fase exponencial de crescimento, em sistema descontnuo ou operando em contnuo, aproxima-se de max. Contudo, existem outras hipteses relativamente funo = (S,X).

Verhulst (1845) assumiu uma reduo linear de acordo com a e xpresso:

Teisser (1973)

A equao de Verhult-Pearl relaciona a dependncia da massa celular em funo do tempo:

XKX.max-= mm

( )( )

YX

S

YX

XSSK

S

-+

-=

0

0max),( mm

)1.(.

...max

0max0

.maxmax

o0

o

o

-+=

tx

t

eNm

eNN

m

m

m

m

45

X

Monod

Tessier

Verhulst-Pearl

Representao grfica da dependncia da taxa especfica de crescimento na concentrao de biomassa, de acordo com as aproximaes referidas anteriormen te.

46

Extenso da Cintica de Monod Fase de Arranque

A funo de Monod da cintica de crescimento microb iano vlida nas fases exponencial e pr-estacionria de crescimento. Contudo, a introduo de extenses validam o modelo para as fases de latncia, estacionria e de lise.

A durao da fase de latncia pode ser obtida pela expresso desenvolvida por Hinshelwood e Lodge (1943, 1946):

De acordo com Pirt (1975), a representao de log X em funo do tempo dada por:

Uma extenso simples da funo de Monod, usando o t L como parmetro do modelo, foi descrita por Bergter e Knorre (1972):

0maxlog

3.2XX

ttL

-=

m

)(0

tLteXX --= m

)1( /max),( tLtS

tS eSK

S --+

= mm

47

Determinao Perodo de Latncia

Quando se inicia uma fermentao, frequente o apareciment o de um perodo de latncia.

Este tempo pode ser determinado pelo mtodo de Lodge e Hinshelwood:

lnX

ttL

lnX0

lnX = . (t-tL)+lnX0

48

Extenso da Cintica de Monod Fase Estacionria

A expresso r X = max.X pode ser modificada por forma a incorporara fase estacionria. Esta expresso conhecida pela lei logstica (Kendall , 1949):

Em que e so constantes empricas.

Extenso da Cintica de Monod Fase de Lise (Velocidades Negativas)

A fase de morte celular deve ser considerada em processos biotecnolgicos com longos tempos de residncia (por exemplo, tratamento biolgico de gua residuais). Existem vrias hipteses para modelar a morte celular, desde forma s exponenciais at formas abruptas. Na equao de Monod inclui-se o parmetro Kd (h -1), que representa a taxa especfica de morte celular:

( )b

a XX Xr -= 1.

dtdX

XKd .

1-=

49

De acordo com um modelo de primeira ordem S X:

A expresso acima foi utilizada com sucesso na modelao de u m sistema de lamasactivadas (Chiu et al., 1972).

Com valores conhecidos de Kd, , aparentemente, possvel determinar os valores de max eKS por representao grfica da seguinte expresso:

XKr dX ).( -= m

XSX

S rY

r .1

/=-

maxmax

11.

1mmm

+=+ S

KK

S

d

50

Contudo, algumas consideraes a nvel fisiolgico levam a concluir que, dois factores independentes so responsveis pelo decrscimo da concentrao de biomassa. As clulas viveis perdem massa devido ao metabolismo endgeno e so tambm convertidas em clulas mortas.

Sinclair e Topiwala (1970) desenvolveram um modelo que considera a taxa de morte de clulas viveis (K0d) e o metabolismo endgeno (K e):

Kd = K0d+Ke

X

D

Clulas totais

Clulas mortas

Clulas viveis

Representao grfica da cintica em estado estacionrio num reactor do tipo perfeitamente agitado,assumindo taxas individuais de morte celular e metabolismo endgeno, demonstrando as diferenas naconcentrao de biomassa em funo da taxa de diluio (D).

51

1/

1/S

Representao da influncia do metabolismo endgeno, cons iderando a taxa de morte celular, quando setentam obter os parmetros de um modelo de crescimento celul ar utilizando a cintica de Monod.

Kd=0.05

Kd=0.02

Kd=0.01

Kd=0.005

Kd=0

1/ max

-1/KS

52

Modelao Cintica do Metabolismo Endgeno

Clulas viveis que estejam termodinamicamente activas devem transformar o substrato(fonte de energia) em calor. Esta energia necessria para uma grande variedade deprocessos celulares, destacando-se a manuteno da press o osmtica, e para a reparaoda sntese de DNA, RNA e outras macromolculas.

Consequentemente, uma fonte de energia deve ser consumida, no s para reacesmacroscpicas como o crescimento, mas tambm para a manuten o da estrutura celular.

A equao de consumo de substrato deve incluir um termo (m S) relativo manuteno, talcomo visto anteriormente.

qS

ms

SXY /1

Kd

SSX

S mY

q += m/

1

Diagrama exemplificativo da determinao do rendime nto, coeficiente de manuteno celular e taxa de morte celular da cintica, associados ao metabolismo endgeno.

( )dtdX

XS

X

SSX

S

m

Xr

XmXY

r

.1

/

.

...1

-=

=

+=-

m

m

No considerando a formao de produto no associado ao crescimento

53

1/Y

1/D

1/YX/S

SSX

dm

YK

./

Mtodo alternativo ao anteriormente apresentado para a determinao do coeficiente de manuteno, atravs da utilizao de reactores em contnuo a fu ncionar a diferentes taxas de diluio.

54

Modelo cintico de morte celular por falta de substrato:

Humphrey (1978) e Gutke (1980) propuseram um modelo cintico no qual os parmetros d e

mS dependem da concentrao de substrato:

d

dmax

Kd S

( )( )

SKeS

sS

SKdS

dd

mm+

++

=

=

max

1max.mm

( )SKd

Sdd

.1max. -= mm

55

Equaes para a Modelao da Inibio pelo Substrat o

Em muitos dos casos de inibio, o modelo cintico, tal como o modelo de Monod, deriva deteorias de inibio de determinadas enzimas. Na literatura existe um substancial nmero dede equaes que, contudo, so meramente hipteses e podem se r substitudas por outromodelo mais adequado.Andrews (1968, 1969, 1971) e Noack (1968) analisaram a inibio por substrato numquimiostato atravs da expresso:

KI,S a constante de inibio pelo substrato.

O modelo para a inibio alostrica, segundo (Webb, 1963):

Mltipla inactivao de complexos enzima-substrato (Aiba et al., 1968):

SIS KSSKS

,max

/11

..++

= mm

SS

S

KSKSKSS

/)/1(

. 2max +++

= mm

+= i

j

jSiS KSSK )/(/

1.

,

maxmm

56

A funo emprica de Aiba et al. (1968):

A funo semi-emprica de Teissier:

A equao derivada de Webb (1963), assumindo a teor ia de Debye-Hckel de influncia da fora inica ( ) na taxa de crescimento:

Tseng e Waymann (1976) propuseram, para concentra es de substrato superiores a uma limite de inibio (S C) a seguinte expresso:

SKIS

Se

SKS ,/

max . -+

= mm

---=

KSS

SKIS

exp,

expmaxmm

s

smm 17.1

,max .

)/1(e

KKSS

SIS ++=

)(,max CSIS

SSKSK

S--

+=mm

57

Outros mtodos incluem reformulaes ao modelo de A ndrews e Noack:

SK SI

..111

,maxmax mmm+=

Cintica de inibio por substrato e mtodo para a determinao dos parmetros associados ao modelo mtodo aproximado.

1/

1/S

1/ max

Monod

1/KI

1/2

58

No entanto, o crescimento microbiano com inibio p elo substrato convencionalmente descrito pela equao:

KI constante de inibio.

+

+

=

I

S

KS

SK

11

maxmm

Quando KI>>KS e equao reduz-se a:

21

max SKKSKKS

ISI

I

++

= mm

59

Que conhecido como o modelo de Haldane de inibi o pelo substrato

max

S

Monod

KS KI3

1

2

1/21

2

3

IS KK /21

max

+

m

SKS

.maxm

m=

IS KK .

Cintica de inibio por substrato e mtodo para a determinao precisa dos parmetros cinticos mtodo preciso.

60

Equaes para a Modelao da Inibio pelo Produto

O modelo de Dagley e Hishelwood (1938) indica a inibio da ci ntica de crescimento atravsde uma constante cintica (Kp):

Este modelo foi melhor ajustada inibio pelo produto por H olzberg et al. (1967):

E por Ghose e Tyagi (1979):

Em que KI,P a constante de inibio pelo produto. Este modelo um dos mais utilizados,predominantemente para sistemas em descontnuo.

Jerusalimsky e Neronova (1965) representaram a dependncia da taxa especfica decrescimento e da concentrao de produto por curvas hiperb licas e sigmoidais atravs domodelo:

)1(max pS

KSK

S-

+= mm

)( 21max KPK -= -mm

PKK

SKS

PI

PI

S ++=

,

,max .mm

Kp

Se

SKS -+

= .maxmm

61

Bazua e Wilke (1977) descreveram a inibio do crescimento d e leveduras pelo etanolatravs de um modelo com trs parmetros:

Em que Pm a concentrao mdia de produto na cultura e K1 e K2 so constante empricas.

Esses autores tambm desenvolveram o seguinte modelo:

Em que Pmax a concentrao de produto para a qual as clulas esto viveis.

Levenspiel (1980) desenvolveu uma expresso assumindo o mo delo de Monod, na qualsubstituiu max por Kobs:

Em que K = max; Pcrit = concentrao crtica de produto para a qual a fer mentao termina; n = factor detoxicidade.

)(. 210 PKPK m --= mm

( ) 2/1max

10p

pm+= mm

( )npcritpm

obs KK -= 1

62

Modelos Cinticos para a Represso Catablica

A represso catablica tem um papel essencial em muitas ferm entaes industriais,destacando-se a utilizao de leveduras (crescimento diau xico), e produo de metabolitossecundrios.Apesar de, na maior parte das vezes, se desconhecer o mecanismo bioqumico envolvido naregulao desses eventos celulares, a seguinte equao cin tica pode ser usada como umaaproximao adequada:

Esta equao uma forma anloga ao caso da inibio por subst rato e tem sido utilizadapara a modelao do crescimento diauxico de leveduras e de pr oduo de antibiticos.

Outros modelos cinticos foram desenvolvidos com o objectivo de prever o efeito decondies variveis de pH, crescimento pseudo-homogneo micelial, biosorpo .

XKSSKS

rX

rRS

ii1

.)/1(

1max,

++=

63

Modelos Cinticos para a Formao de Produto (Metabolitos e Produtos Finais)

Segundo Gaden (1955, 1959), podem distinguir-se quatro tipos fundamentais de acumulaode produto:

Tipo 0 A produo de produtos do Tipo 0 ocorre mesmo em clulas em estado muitobaixo de metabolismo , utilizando uma pequena quantidade de substrato para o seu prpriometabolismo. As clulas so, essencialmente, reactores enzimticos.Exemplos: transformao de esterides e sntese de vitamin a E por Saccharomycescerevisiae.

Tipo I Processos em que a acumulao de produtos est directamente associada comao crescimento . Este o caso dos metabolitos primrios, em que a formao de produtoest ligada ao metabolismo energtico. Exemplos: etanol e cido glucnico.

Tipo II Processos que tm uma associao parcial ao crescimento e, comoconsequncia, uma ligao indirecta ao metabolismo energtico. Exemplos: cido ctrico eaminocidos.

Tipo III Fermentaes em que no h ligao directa entre crescimento e formao deproduto (metabolitos secundrios) e tambm nenhuma ligao com o metabolismo primrio.Exemplos: penicilina, estreptomicina.

64

t

[S] [X]

[P]

t

[S] [X]

[P]

t

[S] [X]

[P]

Tipo I Tipo IIITipo II

Curvas de concentrao (substrato, biomassa e produ to) em funo do tempo para os trs tipos usuais de formao de produtos em processos fermentativos. I formao de produto associado ao crescimento; II associado parcialmente ao crescimento; III no ass ociado ao crescimento.

65

A produo de produtos em bio-reaces do Tipo I pode ser descrita por:

ou

e ainda:

O caso da formao de produto no ligado ao crescimento mais difcil de quantificar.Normalmente usa-se a relao:

A formao de produto, neste caso, tambm pode ser quantific ada pela relao dedependncia do substrato.

XXPP rYr ./=

m./ XPP Yq =

XSK

Sqr

SPP ..max,

+=

XKr PP .=

SSPP rYr ./=

66

Quando a formao do produto parcialmente ligada ao cresci mento e parcialmente

independente, utiliza-se uma combinao dos modelos anter iores, proposta por

Luedeking e Piret:

pXPP KYq += m./

III

II

IV

qP

I

V

Relaes cinticas lineares entre as taxas especficas de p roduo e crescimento, exibindo formasdiferentes: I associadas ao crescimento; II associadas p arcialmente ao crescimento; III noassociadas ao crescimento; IV com uma correlao negativa ; V sem correlao.

67

Formao de produtos

rP = .rX + .X

Produto primrio associado ao crescimento celular

Produto secundrio formado em reaces que no so necessrias para o crescimento

Correlao emprica apresentada por Luedeking e Piret (1959):

De acordo com este modelo:

Produto primrio = 0

Produto secundrio = 0

Produto intermdio quando e so ambos positivos

68

Caso particular processos aerbios

Em processos aerbios, alm do substrato, tambm a concentrao de oxignio pode serlimitante.

A modelizao cintica pode ser efectuada atravs de uma funo de limitao dupla porsubstrato:

Esta equao pode ser incorporada no balano mssico ao oxig nio, onde se consideratambm a transferncia de massa:

OKO

SKS

OSOS

++= ..max),( mm

XY

OOaKr OSOX

LLLO ..1

).(. ),(/

* m--=

69

Cintica de substratos mltiplos

Em situaes reais, ocorrem casos complexos que no podem se r tratados com as equaesanteriormente descritas.

No caso do crescimento num meio complexo, os componentes fac ilmente utilizveisso consumidos rapidamente. Para a utilizao dos restantes componentes, os enzimasresponsveis pela sua degradao tm que ser, primeiro, sintetizadas.

As clulas passa por diversas transies. Daqui resulta uma srie de fases de crescimento,cada uma com uma taxa de crescimento sucessivamente decrescente.

Podem distinguir-se essencialmente trs situaes:

Utilizao sequencial de substrato; a utilizao estritamente sequencial de substratopode encontrar-se, por exemplo, durante o fabrico de cerveja, onde a glicose, a maltose e amaltotriose so utilizadas uma aps a outra.

Utilizao simultnea de substrato; Sobreposio das duas situaes.

70

t t

[S]

t

[S][S]

[S1+2]

[S1]

[S2]

[S1+2]

[S1]

[S2]

[S1+2] [X]

[S2]

[S1]

2

1

Cintica multi-substrato para uma reaco com dois substra tos (1 e 2): a diagrama concentrao emfuno do tempo para utilizao estritamente sequencial do s substratos (crescimento diauxico); b utilizao de substrato parcialmente sequencial e parcial mente simultnea; c utilizao simultnea desubstrato.

a b c

71

Mtodos para Quantificar o Crescimento Celular

Quantificao directa:

Contagem em placas;

Filtrao e plaqueamento;

Mtodo do nmero mais provvel;

Contagem directa ao microscpio.

Quantificao indirecta:

Turbidimetria;

Actividade metablica;

Peso seco.

72

Imobilizao Celular

A imobilizao um termo que descreve o fenmeno de encapsul amento e/ouaprisionamento de clulas.Existem quatro princpios bsicos para a imobilizao de clulas: ligao a superfcies,,aprisionamento em matrizes porosas, conteno por membran as e autoagregao .

A imobilizao por meio de aprisionamento em matrizes poros as envolve, normalmente, asntese in situ da matriz porosa em torno das clulas a serem imobilizadas. Este mtodo temsido extensivamente estudado para a imobilizao de clula s viveis, devido possibilidadede uso de polmeros hidroflicos biocompatveis como supor tes de imobilizao. Alm disso,as clulas imobilizadas em uma matriz hidroflica podem ser protegidas de condies noadequadas de pH, temperatura, solventes orgnicos e/ou com postos inibidores presentes nomeio de fermentao.Como a matriz de aprisionamento geralmente resulta em limitaes de transferncia demassa, a imobilizao na forma de esferas geralmente prefe rida devido elevada reasuperficial.

Como principais desvantagens, temos o pequeno volume disponvel para a conteno dasclulas imobilizadas, a perda de clulas para o meio de fermentao, que limitam aquantidade de clulas imobilizadas nas esferas, e a instabilidade dos suportes normalmenteutilizados, que limita a utilizao dos agregados por longo s perodos.

As principais caractersticas de um suporte para a imobilizao de clulas vivas so asseguintes: no txico para a clula; elevada capacidade de reteno; el evadadifusividade de substratos e produtos; biodegradabilidad e.

73

Microcpsulas de quitosano contendo a bactria Bacillus subtilis imobilizada.

Suportes polimricos utilizados na imobilizao cel ular..

74

Biofilmes

A definio mais usual de biofilme o de uma matriz polimrica de aspecto gelatinoso,

aderida a uma superfcie slida, quase sempre imersa em meio lquido, constituda

essencialmente por microrganismos, pelas substncias pol imricas extracelulares que estes

excretam e por gua.

Os biofilmes so tipicamente constitudos por gua, microrganismos (essencialmente

bactrias, mas tambm fungos, leveduras, microalgas, vrus e protozorios), substncias

polimricas extracelulares (EPS), partculas retidas e substncias dissolvidas e adsorvidas. A

gua a fraco mais significativa da massa total do biofilme, podendo variar entre 70 a 99

% da massa total do biofilme.

Os microrganismos representam somente uma pequena parte da massa e do volume do

biofilme, geralmente menos de 10 %, embora estes excretem as substncias polimricas que

representam a fraco dominante da matria orgnica seca do biofilme. As substncias

polimricas representam cerca de 70 a 95% da matria orgnica da massa seca do biofilme.

75

Caractersticas chave dos biofilmes:

Complexos e heterogneos.

Estruturas dinmicas.

As caractersticas dos microrganismos nos biofilmes (microrganismos ssseis) so diferentes dos microrganismos no estado planctnic o (livres em suspenso).

Os microrganismos nos biofilmes coordenam o seu comportamento via comunicao intracelular (quorum-sensing).

Os biofilmes so menos sensveis aco de agent es antimicrobianos.

76

O modo de desenvolvimento em biofilme proporciona, aos microrganismos que o constituem, importantes benefcios , tais como:

Aumento da concentrao de nutrientes nas interface s lquido-biofilme uma vez que a matriz polimrica favorece a adsoro de molculas de nutrientes;

Proteco contra factores ambientais agressivos , como flutuaes de pH, concentraes de sais, desidratao, foras de tens o de corte, substncias qumicas

agressivas, bactericidas, antibiticos, predadores, bactrias lticas e metais pesados;

Possibilidade de troca de material gentico devido aos longos tempos de reteno dos microrganismos;

Facilidade de desenvolvimento de microconsrcios que permitem o estabelecimento de relaes de simbiose bem como a utilizao de substratos de difcil degr adao;

Capacidade de estabelecer e colonizar nichos ecolg icos .

77

Os principais processos envolvidos na formao de um biofilme sobre uma superfcie

slida em contacto com um meio lquido so:

(1) Adsoro de substncias orgnicas dissolvidas a uma superf cie slida em contacto com

um meio aquoso, formando-se um filme condicionador;

(2) Transporte de microrganismos e outras partculas do meio aquoso para a superfcie slida

condicionada;

(3) Adeso firme dos microrganismos superfcie;

(4) Destacamento de clulas reversvelmente aderidas;

(5) Produo de molculas sinalizadoras de fenmenos de densid ade populacional (quorum-

sensing);

(6) Transporte de nutrientes da fase lquida para a interface lquido-biofilme, bem como no

interior do filme microbiano;

(7) Produo de biofilme devido ao consumo dos nutrientes, cons equente crescimento e

reproduo dos microrganismos aderidos e sntese de polme ros extracelulares;

(8) Transporte de subprodutos do biofilme para o exterior;

(9) Desprendimento de pores de biofilme devido a fenmenos de eroso superficial ou

descolamento sbito (sloughing off).

78

Etapas da formao de um biofilme (Bryers e Ratner, 2004 ASM News, 70).

79

A adeso de microrganismos a superfcies um fenmeno que oc orre naturalmente

em meios aquosos e que depende:

das propriedades superficiais dos suportes de adeso; das propriedades superficiais dos microrganismos; das propriedades microbiolgicas dos microrganismos; das propriedades do meio aquoso; da morfologia das superfcies: composio, rugosidade e po rosidade .

No processo de adeso, as interaces entre os microrganism os e as superfcies so

efectuadas por um conjunto de fenmenos fsico-qumicos, t ermodinmicos e

microbiolgicos.

80

Factores que influenciam a formao do biofilme:

pH

Temperatura

Fora Inica do Meio

Velocidade de Escoamento/Regime de Escoamento

Concentrao de Nutrientes

Tipo de Material da Superfcie e o Seu Estado de Co nservao

Comunidade Microbiana

Concentrao de Agentes Antimicrobianos

81Processo laboratorial utilizado para a formao de biofilmes de Acidothiobacillus ferroxidans.

82

Os biofilmes desempenham um papel importante na natureza e em processos tecnolgicos.

Do ponto de vista do interesse do Homem podem ser benficos ou prejudiciais , donde

resulta a necessidade do seu estudo para poder desenvolver estratgias no sentido de

melhorar as suas caractersticas, caso ele seja benfico, ou para o eliminar ou inibir a sua

formao, quando a sua aco prejudicial.

Como exemplo de biofilmes benficos temos aqueles que se acumulam em ambientes

naturais nos depsitos dos rios, lagos ou ambientes marinho s, e que se desenvolvem

em associao com as razes de algumas plantas fornecendo-l hes alguns nutrientes .

So tambm biofilmes benficos aqueles que so utilizados em biotecnologia ambiental

com grande sucesso no tratamento de efluentes , removendo poluentes orgnicos e

inorgnicos de guas contaminadas. Na indstria alimentar os biofilmes apresentam

inmeras vantagens, podendo ser utilizados na produo de alimentos fermentados, como

por exemplo, a produo de vinagre .

83

Na maioria das situaes, a adeso de microrganismos a super fcies slidas

indesejvel pois, de uma maneira geral, est associada deteriorao da s superfcies e/ou

ambiente circundante. Nas cincias mdicas, os biofilmes apresentam-se geralmente com

um carcter nocivo uma vez que esto associados a um grande nmero de problemas de

sade, tais como infeces em tecidos, infeces do trato urinrio, infec es e

consequente rejeio de prteses e implantes e infeces da placa dentria, entre

outras.

Na indstria, para alm de originar problemas de higiene, a acumulao de biofilmes

pode provocar perdas de eficincia em permutadores de calor , perda de carga nas

tubagens e acelerao da deteriorao dos materiais .

Nos sistemas de distribuio de gua potvel , a formao de biofilme, e principalmente o

seu desprendimento, constitui um factor de diminuio da qualidade da gua .

84

Biofilmes no corpo humano

DentesFeridas

Intestino

Alvolospulmonares

Lentes de contactoTracto urinrios

Biofilmes em dispositivos mdicos

Cateteres e implantes

85

Biofilmes na indstria

Indstria do papel

Permutadores de calorIndstria alimentar

b c

86

Biofilmes nos sistemas de distribuio de gua

Biofilmes em casa

Paredes e tectos

Superfcies sanitrias

87

Clula de fluxo

Dispositivos laboratoriais para a formao de biofi lmes:

88

Clulas de fluxo em paralelo

Escala piloto

Escala laboratorial

89

Clulas de fluxo em paralelo

90

Bio-reactor rotativo

91

Reactor PropellaTM

92

Microtiter plates

24 poos

96 poos

93

Imagens, obtidas por microscopia de epifluorescncia com recurso ao corante alaranjado de acridina e por microscopia electrnica de varrimento, de biofilmes formados por Bacillus cereus (esq.) e Pseudomonas fluorescens (dir.).

94

Balano de massas ou balano de material

95

Um dos princpios fundamentais da engenharia o balano de m assas ou

balano material.

Os balanos materiais so usados para fundamentar quantita tivamente,

eficincias, rendimentos, dimensionamento de instalae s e de

equipamentos, etc...

O balano de massas ou balano material baseia-se no princp io de

conservao de massa.

Se em um dado processo 120 g de enxofre esto contidos no carv o queimado

diariamente numa caldeira, esta mesma quantidade de enxofr e deixar a cmara de

combusto. A anlise qumica das cinzas ou da fuligem revela r a quantidade de

enxofre em cada uma dessas substncias.

A soma das duas quantidades dever ser igual a 120 g de enxofre .

96

O modo de operao se um sistema pode ser em descontnuo,

contnuo ou semi-contnuo. Esta classificao baseia-se no procedimentode entrada e sada dos materiais.

Processos descontnuos a alimentao introduzida no sistema deuma s vez, no incio do processo e todos os produtos so retira dos algum

tempo depois. Nenhuma massa atravessa a fronteira do sistem a no intervalo

de tempo decorrido entre a alimentao e a remoo dos produt os.

Processos contnuos a alimentao e os produtos flemcontinuamente enquanto dura o processo. H a contnua passa gem de

matria atravs das fronteiras do sistema.

Processos semi-contnuos a entrada de material praticamenteinstantnea e a sada contnua atravs de uma nica frontei ra (entrada ou

sada) do processo.

97

Os processos tambm so classificados em relao ao tempo, como

estado estacionrio ou no-estacionrio

Processos em estado estacionrio se os valores de todas asvariveis do processo (pH, temperatura, caudais, concentr aes, etc) no se

alteram com o tempo.

Processos em estado no-estacionrio so os processos ondeocorrem alteraes dos valores das variveis de processo ao longo do

tempo.

Os processos em descontnuo e semi-contnuos, pela sua natu reza,

operam em estado no-estacionrio.

Os processos em contnuo podem operar tanto em estado estaci onrio

como em estado no-estacionrio.

98

7 PASSOS PARA EXECUTAR BALANOS DE MASSA

1 Listar todos os componentes e atribuir-lhe um smbolo/nomenclatura;

2 Executar um esquema sequencial de todas as etapas que constituem

um procedimento de produo;

3 Definir sistemas e subsistemas, executando balanos glo bais e parciais,

a cada uma das etapas e ao conjunto de etapas;

4 Seleccionar uma base de clculo apropriada;

5 Escrever o conjunto de equaes que relaciona todas as ent radas e

todas as sadas para cada um dos componentes;

6 Verificar se o sistema de equaes tem soluo;

7 Resolver o sistema determinando os valores numricos das incgnitas,

e validar as solues encontradas para as incgnitas.

99kg 100F clculo de base

0.65F0.25F0.1FP

0.45FF

0.35FF

0.2FF

PPP

FFFF

PF

3211

3

2

1

21

321

=

++=

=

=

=

+=

++=

=

100

Suponhamos que, um processo contnuo onde entra e sai metano a um

caudal Qe e Qs, respectivamente:

Os caudais foram medidos e constatou-se que Qe diferente de Qs. H 5

explicaes para este facto:

Existe um caudal adicional de sada do equipamento (por exem plo:

perdas);

O metano consumido como reagente;

O metano gerado como produto;

O metano acumulado na unidade, sendo, possivelmente, abso rvido nas

paredes da unidade de operao;

As medidas esto erradas.

Unidade

de

processo

Qe (Kg/h) Qs (Kg/h)

101

Um balano de massa de um sistema (um nica unidade, vrias un idades ou

o sistema como um todo) pode ser escrito da seguinte forma:

SAI = ENTRA + GERADO CONSUMIDO ACUMULADO

Esta a equao geral de balano que pode ser escrito para qua lquer

material que entra ou sai do sistema. Pode ser aplicado mass a total de

componentes do sistema ou a qualquer espcie molecular ou at mica

envolvida no processos.

Podemos escrever 2 tipos de balanos:

Balanos diferenciais indicam o que acontece num dado sistema, num dado instante.

Cada termo da equao de balano expresso em termos de uma ve locidade/taxa e

tem unidade da quantidade a dividir pela unidade de tempo (g/ h; L/h, etc). Este tipo de

balanos usualmente aplicado a processos em contnuo.

Balanos integrais descrevem o que acontece entre dois instantes de tempo ( t).

Cada termo da equao uma quantidade com a sua respectiva un idade (g; L, etc).

Este tipo de balanos usualmente aplicado a processos em de scontnuo.

102

Balanos em processos com unidades mltiplas

Quando se tem mais do que unidade compondo um determinado pro cesso,

fundamental definir-se as fronteiras dentro das quais se re aliza o balano. O

espao delimitado por essas fronteiras usualmente denomi nado por

volume de controlo. Um volume de controlo pode ser um process o como um

todo ou uma parte apenas. Pode combinar unidade interligada s ou localizar-

se sobre uma mesma unidade ou mesma diviso de correntes do pr ocesso.

O fluxograma abaixo indica um processo contendo 2 unidades e 5 volumes

de controlo.

Sistema com mltiplas unidades.

103

A compreende o processo como um todo, compreendendo todas a scorrentes de alimentao e produto (volume de controlo glob al);

B compreende um posto de mistura de duas correntes de alimen tao;

C compreende a primeira unidade de processo;

D compreende um ponto de separao (diviso de correntes);

E compreende a segunda unidade de processo;

F compreende um sub-sistema formado pela unidade de proces so 1 (UP1) epelo volume de controlo D.

Sistema com mltiplas unidades.

104

Reciclagem, Bypass e Purga

Considere a reaco A B. muito raro que a reaco se complete num reactor a

operar em contnuo. A quantidade de A presente no incio da re aco ou o tempo que

ele deixado no reactor podero no evitar que exista A na cor rente de sada. A

sempre encontrado na corrente de produtos (nem todo A reagiu ).

vantajoso, caso o custo associado ao processo compense o cu sto da matria-prima

A, reciclar o reagente A (separado do produto R) para a entrad a do reactor.

Reactor Separador110 Kg A/h 200 Kg A/h

30 Kg R/h

100 Kg A/h

130 Kg R/h

10 Kg A/h

100 Kg R/h

90 Kg A/h

30 Kg R/h

Fluxograma tpico envolvendo uma operao de reciclagem.

105

Uma operao vulgarmente utilizada nos processos industri ais consiste no desvio de

uma parte de alimentao de uma unidade e a combinao dessa c orrente, chamada

de bypass , com a corrente de sada daquela unidade.

Unidade de processo

Outro procedimento adoptado consiste na purga, em que parte de uma corrente, que

no interessa, separada da parte de corrente de interesse.

Fluxograma de uma unidade de processo com bypass.

Fluxograma de um processo com reciclagem e purga.

ProcessoAlimentao

Reciclagem Purga

Produto

Alimentao combinada

106

Bio -reactores de clulas microbianas

107Diferentes fases de implementao de um processo fe rmentativo.

Bio-reactores de Clulas Microbianas

O projecto de unidades de bioprocesso (incluindo o clculo da bioconverso substrato-produto/biomassa e do modo de operao de um bio-reactor que maximize a produtividade)representa um estgio no qual se integram os dados cinticos e as caractersticas dobio-reactor.

Na prtica, os problemas dominantes esto associados manuteno da esterilidade,melhoramento do microrganismo e isolamento do produto.

108

!" #

109

$

Os bio-reactores podem classificar-se em:

Quanto situao de reteno da biomassa :

- Biomassa em suspenso

- Biomassa fixa

(alguns so hbridos, isto , contm biomassa fixa

e suspensa simultaneamente)

Quanto ao modo de alimentao :

- descontnuo ( batch )

- contnuo

- descontnuo com alimentao escalonada ( fed-batch )

- descontnuo sequencial (SBR - Sequencing batch reactor )

110

Quanto configurao fsica :

- Tanque agitado

- Coluna de borbulhamento

- Air-lift com biomassa suspensa

- Reactor de membrana

- Leito fixo submergido

- Filtro percolador

- Biodiscos

- Leito fluidizado

- Air-lift com biomassa fixa (Leito circulante)

Quanto ao processo biolgico :

- Aerbio

- Anaerbio

111

112

No modo de operao em fed-batch, a alimentao continuamente adicionada at se atingir

o mximo volume desejado. De seguida o bio-reactor descarregado ou poder prosseguir a

bio-reaco.

Este modo de operao correntemente utilizado dado que, os rendimentos so geralmente

superiores quando os nutrientes se encontram no substrato a baixas concentraes.

Num bio-reactor a operar em contnuo as concentraes de nut riente podem manter-se

baixas, mas pressupem que as condies de up-stream e de down-stream estejam tambm

em contnuo. No entanto, existem produtos que so produzido s em diferentes estados

fisiolgicos.

Nos bio-reactores fed-batch, a alimentao fresca, mas o efluente (e a biomassa) no so

continuamente removidos. Este modo de operao permite a ob teno de produtos, sob

baixas concentraes de nutrientes (reaco biolgica len ta) ou a elevadas concentraes de

substrato (inibio por substrato), evitando-se o wash-out.

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o de

bio

mas

sa,

subs

trat

o e

prod

uto

%

&

$&

&

comum autlizao destesreactores naproduo deantibiticos e defermento depadeiro (levedura)

114

115

(

) *+,- ,.*

+ ,(% % ! / & # 0 *

- % 1/ 23,- +

sadasadaentradaentradadtVd

rrr

.Q.Q).(

-=

VrCQdt

CsadaVdientradaentrada ..

).(=

VQentrada

=m

116

41/*

5 0 *

tSYQXXVSYQdtdX

V entradaSXentradaentradaSX ....... // +==

Massa de clulas recolhida

tQVQ

D.0 +

=

117

Modelos extracelulares de bio-reaco em fed-batch

Biomassa

( ) X VQ

/0

+--= m

YSS

dtdS

SX

m

0

/ VQ

X PYdt

dPP

PX

+

+= u

m

Q=dtdV

0Q

XVQ

XV

KdtdX

d +

--= m

Produto

Substrato

Kd - taxa de lise celularm - coeficiente de manuteno p taxa especfica de produo no associada ao crescimento

Biomassa removida

Biomassa adicionada

118

67 *

8 # !$

9 : 6 $

&$

# $

119

Comparao entre os modos de operao em fed-batch e em contnuo:

Em ambos os modos de operao podem sem controladas a taxa esp ecfica de crescimento

e a concentrao do substrato.

A maior diferena entre os dois modos de operao relativa inexistncia de

fenmenos de wash-out em fed-batch .

Outras vantagens dos fermentadores fed-batc h:

Como a biomassa no removida os produtos podem ser obtidos sob taxas de

crescimento baixas ou at taxas de crescimento nulas .

A alimentao no fed-batch pode s conter alguns dos nutrientes necessrios ao

crescimento. O meio de crescimento pode ter composio varivel ao longo do processo.

(Em contnuo, o meio fresco dever ter uma composio completa).

A alimentao fed-batch pode ser manipulada para maximizar a formao do produto (aj ustes

de composio e de taxas de alimentao para os diferentes es tgios fisiolgicos da

biomassa). Modo de operao mais robusto em caso de contaminao .

120

6 *

8 # " 6 ;

$

/0 # / $

8

121

Bio-reactores a operar em fed-batch so especialmente adequados para:

Baixas concentraes de substrato, ou de nutriente limitan te; Condies de inibio pelo substrato; Condies adversas de transferncia de massa - Exemplos:

- produo de vinagre;

- produo de cido ctrico;

- produo de amilase;

Quando se exigem elevados rendimentos em produto ou biomass a:- sistemas com clulas animais;

- produo de fermento de padeiro;

- produo de antibiticos;

- produo de probiticos;

- casos particulares de composio do meio (ex.: razes de ca rbono/nitrognio ou

razes de carbono/oxignio)

122

Produo de vinagre

O cido actico produzido por oxidao do etanol.

O etanol a 96%(v/v) adicionado ao meio de fermentao; med ida que se produz

cido actico, as clulas deixam de crescer e a produo do c ido actico deixa de ser

associada ao crescimento; assim o vinagre no pode ser produ zido em contnuo

porque poderiam surgir condies de wash-out .

O etanol mais txico para as clulas do que o cido actico ou que o pH;

As aceto-bactrias so capazes de metabolizar o etanol a pH < 3;

As aceto-bactrias podem produzir at 180 g/L de cido acti co.

123

Produo de cido ctrico

O cido ctrico pode ser produzido a partir de acares ou pol issacridos;

Estirpes de Aspergillus niger devem ser crescidas sob concentraes limitantes de

mangans e ferro;

O processo inicia-se num reactor batch e finalmente num processo em fed-batch.

A fonte de carbono adicionada sequencialmente, porque ele vadas concentraes

tornam o meio com elevada presso osmtica causando desidra tao do bio-

catalisador.

Amnio (47% p/p) adicionado ao meio de cultura para regular a inibio pelo

substrato.

A acumulao do cido ctrico promove inibio da gliclise em fed-batch .

Concentraes elevadas de amnio promovem formao de biom assa e no de cido

ctrico;

Concentraes elevadas da fonte de carbono (na forma de alca nos) promovem

problemas de transferncia de oxignio.

124

Cultura de clulas animais

As clulas de animais, sob concentraes elevadas de fonte d e carbono (glicose), tm

tendncia para fermentar em vez de respirar.

So utilizados meios de cultura especficos, Eagles Modif ied Media contendo at 4 g/L

de glicose.

Em sistemas batch com este meio induz a produo de cido lctico e baixos

rendimentos em biomassa.

Elevadas concentraes de lactato exigem que seja adiciona do ao meio CO 2, para

controlar o pH.

Com sistemas fed-batch , o meio adicionado em baixas concentraes de glicose e as

clulas respiram em vez de fermentar, aumentando o rendimen to em biomassa.

125

A maior parte dos antibiticos so derivados de processos mi crobiolgicos. Estesprocessos desenvolvem-se em dois estgios:

No primeiro as clulas so multiplicadas num sistema batch ;

Depois de se atingir um mximo de concentrao de biomassa, o sistema passa afuncionar no modo fed-batch (alimentao escalonada) .

126

127

+ ,.% , %

Tempo

Biomassa

Antibitico

128

Bio-reactor escala piloto a operar em modo fed-batch.

129

Operao de Bio-reactores em Sistemas Aberto e Fech ado (contnuo/descontnuo):

Num sistema aberto/contnuo , todos os materiais que compem o sistema podem entrar

ou sair dele ;

Se uma parte componente do sistema no puder entrar nem sair , o sistema diz-se

fechado em relao a essa parte .

Num sistema fechado , a velocidade de crescimento deve tender para zero . Logo, neste

caso, haver uma sucesso de estados transientes .

Nos sistemas abertos , possvel atingir-se um equilbrio dinmico , conduzindo a uma

infinidade de estados estacionrios.

130

Existem dois tipos fundamentais de culturas em sistema aber to:

A cultura em bio-reactor do tipo pisto e a cultura em quimiostato ;

Ao contrrio do sistema pisto, num quimiostato h uma suspenso homognea debiomassa, na qual o meio introduzido e a cultura retirada mesma taxa (o volume de

cultura mantm-se constante);

A importncia do quimiostato s se revelou fundamental quand o foramdesenvolvidos trabalhos demonstrando que era possvel fix ar a taxa de

crescimento de uma cultura . At ento, julgava-se que a nica velocidade decrescimento estvel seria a velocidade mxima correspondente ao tempo de duplicao

numa cultura descontnua.

Exemplos da utilizao de bio-reactores a operar em contnu o so a produo de singlecell proteins (SCP), a partir de metanol; tratamento de efluentes, produo de aminocidos e

proteinas.

131

Cultura em Reactor do Tipo Pisto

Um bio-reactor contnuo do tipo pisto ou CPFR (continuous plug flow reactor) possibilitaa simulao de uma cultura descontnua num sistema aberto. I dealmente, o inculo e o meioso misturados entrada do sistema, fluindo a cultura a uma v elocidade constante, sem semisturar (fluxo pisto e sem retrodisperso ). Necessita de uma fonte contnua de inculo.

Todos os elementos da cultura tm o mesmo tempo de residncia;

As condies so constantes ao longo do tempo no mesmo ponto d o reactor.

Nestes sistema, define-se um tempo de residnciatr =V/Q, em que V o volume do meio decultura e Q o caudal.

Fazendo tr = tf em que tf o tempo total da cultura descontnua do mesmo microrganismo,ento:

Xf

Con

cent

ra

o

X0

tf t

X0 XfBio-reactor

S0

Sf

132

Esta anlise corresponde a uma situao ideal. No entanto, existe sempre retrodisperso edisperso transversal.

Podem considerar-se dois casos gerais:

1 Sem recirculao de biomassa:

Quando Sa>>Ks (assumindo cintica de Monod), o crescimento em qualquer elemento devolume dV do reactor pode ser representado pela equao de cr escimento em mododescontnuo, at se consumir o nutriente limitante:

Como: Onde v o volume de cultura deslocado por unidade de tempo.

Vem: Onde V o volume do reactor e D (Q/V) a taxa de diluio.

Portanto:

Para o substrato (concentraes variam ao longo do reactor) :

S=Sa

X=XadV

S=SW

X=XW

).max(. ta eXX m=

Qv

t =

DVv

t.

=

= DVv

a eXX ..max

.m

dVrQdS S-=

(Obtida de dX/dt = .X)

133

2 Com recirculao de biomassa

QS = Q + a.QS

Xa = a.g.XW

Um dado volume (v) sai do reactor ao fim do tempo:

S=Sa

X=Xa

a.Qs

S=SW

X=XWS=SW

X=Xe

QQS

Q

X=g.XWS=SW

Factor de concentrao da biomassa

Qa

vt-

=1

.

A produo mxima de biomassa dada pela expresso: Xmax = YX/S.Sa+Xa

Separador

134

Quando v = Ve (volume ao fim do qual se d a exausto do substrato):

Quando Ve=V:

-

==

-=

-

gaaQ

VeXX

QaV

t

eQ

aVe

aw

e

.1

ln.).1(

.

)1.(

max

)1(.max

m

m

cr

e

Dgaat

QV 1

.1

ln.).1(1

max=

-

==m

Taxa de diluio crtica

Para D > Dc, Xw 0

Na prtica, impossvel realizar uma cultura pisto num s vaso, pois h sempre mistura,incluindo entre diferentes fases (gs, lquido, slido). Uma boa aproximao atravs dautilizao de uma srie de quimiostatos.

135

Vantagens da utilizao de sistemas de fluxo pisto

Obteno simultnea de elevada produtividade e taxa de conv erso.

A mistura em sistemas tubulares mais uniforme, eliminando zonas mortas e permitindouma maior facilidade de processo de mudana de escala.

O bioprocesso ocorre com gradientes de concentrao e/ou te mperatura vantajososquando requerida uma elevada rea de transferncia de calor;

Vantajoso em situaes de inibio pelo produto na ausnci a de mistura as clulasestaro em contacto com concentraes baixas de produto (ap ropriado para o tratamento de

efluentes e resduos txicos);

Possibilidade de operao horizontal ou verticalmente.

136

Bio-reactor industrial do tipo pisto.

137

Cultura em Quimiostato

Numa situao ideal, podemos assemelhar um quimiostato a um reactor contnuo

perfeitamente agitado/com mistura perfeita ou CSTR (continuous stirred tank reactor) assume

uma densidade constante; condies isotrmicas; reaco i rreversvel e de 1 ordem (tal

como assumido pelo modelo de Monod); estado estacionrio.

Considerando a situao em que efectuado um cresc imento em descontnuo, sem adio de meio fresco; a partir de um dado instante (t1) inicia-se o modo de operao em contnuo. Nesta situao a cultura poder ser exposta aos seguintes fenmenos:

1 A taxa de sada de biomassa superior taxa espec fica mxima de crescimento

(wash-out );

2 A taxa de sada de biomassa igual taxa especfi ca mxima de crescimento

(situao de instabilidade);

3 A taxa de sada de biomassa menor que a taxa espe cfica mxima de crescimento

(estado estacionrio).

138

X

X0

t1 t

1

2

3

S

S0

t1 t

3

2

1

Representao grfica dos fenmenos anteriormente d escritos.

Formao de biomassa

Consumo de substrato

139

Um quimiostato a operar de forma ideal um sistema autoregulado, em que uma

diminuio na concentrao de biomassa aumento a concentra o de substrato;

consequentemente, a taxa de crescimento celular aumenta, reconstituindo assim a biomassa

no interior do sistema.

O aumento da concentrao de biomassa origina o inverso.

Balano biomassa:

Fazendo D = Q/V (taxa de diluio), vem:

Considerando >>kd, e como em estado estacionrio dX/dt = 0:

dtXQdtXVdXV ...... -= m

D=m

(Aumento da biomassa = Crescimento Sada)

X )D( --= dKdtdX

140

Este resultado ( ~D) tem implicaes muito importantes no funcionamento de u m

CSTR:

O valor da taxa especfica de crescimento imposto pela taxade diluio ;

A taxa de diluio mxima a que se pode operar dever ser inferior ao max-kd. Caso sejasuperior, o sistema perder toda a biomassa, situao que conhecida como wash-out. Isto

acontece porque max um parmetro biolgico intrnseco.

Aps inoculao de um bio-reactor, este dever operar duran te algum tempo em descontnuo, antes de ser

iniciada a alimentao. A experincia indica que o tempo necessrio para atingir a situao de estado

estacionrio aps arranque do bio-reactor ou aps altera o da taxa de diluio corresponde a 3-5 tempos

de residncia da fase lquida.

141

Dc a taxa de diluio crtica, caso em que a concentrao estac ionria de biomassa

nula.

Quando Sr>>K s, ento Dc = max;

Assim, desprezando o valor de kd, pode-se substituir o valor de por max na equao:

Obtendo-se:

KsSrSr

Dc+

==.maxm

m

X. )D( -= dtdX

Concentrao de substrato no reactor

tDXX ).(lnln max0 -+= m

142

Partindo de um estado estacionrio, se se fizerD>Dc, a biomassa decresce ao longo do

tempo e o declive do grfico semi-log permite obter o valor de max-D (Mtodo de Pirt).

A produtividade (D.X) atinge o seu valor mximo quando dP/dD=0 e D = Dm:

Quando Sr>>Ks, ento Dm = max.

Atravs do mtodo de Button tambm possvel determinar os parmetros de crescimento

de uma cultura. Com este mtodo so determinados os valores de biomassa para duas

taxas de diluio e para vrias concentraes de biomassa. C om os resultados obtidos

so traadas as curvas X = f(S).

+-=

SrKsKs

Dm 1.maxm

143

Com este mtodo escrito o seguinte sistema de equaes:

Determinando-se os valores de Ks e max.

A linearizao (1/S=f(1/D)) da seguinte equao tambm per mite obter os parmetros

cinticos Ks e max.

2max

22

1max

11

.

.

DDKs

S

DDKs

S

-=

-=

m

m

X

SS1

D1 D2

S2

KsDKsS1

.1 max

-=m

144

Balano ao substrato:

(Taxa de acumulao) = ( entradas) + (formao) ( sadas) - (consumo)

Em estado estacionrio: dS/dt=0; X e S assumem valores mdios.

S0 a concentrao do substrato limitante; O modelo de um sistema batch o modelo de um sistema contnuo considerando a taxa de diluio igual a zero; A alimentao Q tem de ser estril; A composio do meio no reactor idntica compos io do efluente; O produto considerado um produto associado ao crescimento; A cintica de crescimento considerada a de Monod.

Balano ao produto:

SSo rSSDdtdS

dtVrdtSQdtSQdSV --=--= )(....... 0

XS)D(S0

+--= mY

dtdS

X/S

XD

/

+= PPXYdt

dPu

"* >,? /,?$0 ( 1 ($ +,

145

Taxa de Diluio, D (h -1)

Con

cent

ra

o de

sub

stra

to e

de

clu

las

Concentrao celular, X

Concentrao de substrato, S

Taxa de arrastamento (sada)de clulas do reactor = = Produtividade celular= D.X

S0

A produtividade celular mxima obtm-se para taxas de diluio elevadas, mas isto corresponde a uma

zona de grande instabilidade, uma vez que aqui que a taxa de arrastamento de clulas para o exterior

(wash-out) maior. Logo, qualquer pequena variao no caudal, concen trao de substrato, etc. pode

causar o arrastamento total da biomassa para o exterior.

146

Vantagens dos bio-reactores contnuos:

As clulas mantm-se num determinado estgio fisiolgico;

A produtividade pode ser optimizada pelo caudal de alimentao (Produtividade = D.X) ;

O sistema no necessita de parar com a frequncia de um sistema batch. Teoricamenteum bio-reactor contnuo pode operar indefinidamente;

Depois de se atingirem as condies de estado estacionrio, no ocorre a situao estadode latncia do sistemabatch.

A productividade global superior visto que se podem programar de forma simultnea asoperaes de down-stream.

Como os bio-reactores contnuos possibilitam maior produtividade, permitem a utilizaode equipamentos de porte inferior.

147

Desvantagens dos bio-reactores contnuos:

Maior risco de contaminao;

Impossibilidade de uso para produo de frmacos em alguns pases, em que se exige quetodas as etapas de produo sejam em descontnuo (ex.: nos EU A a FDA probe a produo

de frmacos em contnuo);

Em alguns produtos alimentares (ex.: cerveja) importa que a fermentao avance at lisecelular;

Alguns dos produtos de fermentao com valor comercial so s ecundrios (produzem-seaps a suspenso da fase de crescimento exponencial).

Desvios teoria do quimiostato:

Diminuio do rendimento ao longo do tempo; Existncia de inibidores ou estimulantes; Problemas de transferncia (mistura imperfeita); Reteno de biomassa (adeso s paredes ou floculao).

148

Bio-reactor contnuo agitado com reciclagem de clu las

O bio-reactor est associado a um sistema de separao da biomassa (decantador,

centrfuga, membranas de filtrao, etc.) que depois reci clada de volta ao reactor,

permitindo manter uma mais elevada densidade celular.Vantagens: inoculao contnua, estabilidade, aumento da produtivid ade.

(

(

(

(

( ) ) ) )

) *

*

( + + + +

*

)%,)

)-,)

149

Balanos de massa em estado estacionrio (reactor com recirculao)

Balano biomassa

em que: R = QR/Qe (razo de recirculao) e D = Q/V

Supondo que Qe . Xe

150

Balano ao Produto

em estado estacionrio:

Neste sistema possvel funcionar a concentraes celular es mais elevadas:

em que =XR/X

0.).( =+- XrPPD Pe

XrDPPeDdtdP

P.. +-=

).1.( bRRXXs -+=

X X

D

XR

D.X

Representao grfica da evoluo da concentrao de bioma ssa no bio-reactor (X), na corrente derecirculao/reciclagem ( XR) e da produtividade em biomassa (D.X) para um sistema perfeitamenteagitado com um andar.

151

Processos contnuos em andares com uma ou vrias al imentaes

Classificao:

Mltiplos andares com uma s corrente; Mltiplos andares com vrias correntes; Mltiplos andares com recirculao.

Os sistemas com uma s corrente so uma cascata com uma nica entrada de meio que

constante em todos os outros andares. As suas caractersticas so:

Os ltimos andares no afectam os primeiros;

O primeiro andar comporta-se como um sistema perfeitamente agitado;

A taxa de diuio no pode ser modificada num andar sem mudar os outros;

A taxa nos vrios andares depende s do volume do bio-reactor:

Q=D1.V1=D2.V2=D3.V3

152

Nos sistemas com vrias alimentaes, os primeiros andares so independentes dos

ltimos, e o primeiro perfeitamente agitado.

As diferentes alimentaes podem ser variadas independent emente e as taxas de

diluio individuais so variveis independentes do proce sso.

Potencialidades dos sistemas em andares:

Converso mxima por utilizao completa do substrato nos ltimos andares e

produtividade mxima no primeiro (ex.: transformao de esterides; tratamento de guas);

Clulas em diversos estados fisiolgicos (ex.: produo de metabolitos secundrios);

Manuteno de tempos de residncia elevados (ex.: bioprocessos na fase estacionria de

crescimento com cinticas e/ou meios complexos);

Manuteno das condies ambientais de operao ptimas.

153

Balanos extracelulares biomassa, substrato e pro duto em bio-reactores em cascata

NNNNN

XXDXDdt

dX... 1 m+-= -

NNSX

NNN

XY

DSSDdt

dS..

1.

/1 m--= -

NPX

NNN

YDPPD

dtdP

m.1

./

1 +-= -

Biomassa

Substrato

Produto

154

O nmero de andares de um processo contnuo pode ser determina do pelo mtodogrfico de Deindorfer, Humphrey ou de Luedeking e Piret.

Neste mtodo, representam-se dados de crescimentobatch com rx em funo de X .

).(VQ

1--=

NN

NXX

dtdX

Aproximao para sistema batch.

rX

X0Contnuo

XXN=2

Declive = D1

XN=1

Cintica do processo descontnuo

X0descontnuo

Declive = D2Balano mssico ao

reactor contnuo

156

Quimiostato vs descontnuo

Considere-se que a taxa especfica de crescimento permanece no mximo. Ento, a durao

de uma cultura descontnua dada por:

O aumento da biomassa ser YX/S.Sr. Ento, a produtividade de uma cultura batch pode ser calculada pela expresso:

pmaxo

m

rmax

c

rbatch

.tXX

ln

.Y.S

tY.S

P

+

==

tc tempo de um ciclo de operao;

tp tempo de paragem para esvaziamento erecarga.

p0

m

maxc tX

X.ln

1 t +

=

m

157

Quimiostato vs descontnuo

Em quimiostato, a produtividade dada pela expresso:

Portanto:

Em geral, Xm >> 10X0, pelo que ln (Xm/X0) 2.3. por outro lado, normalmente, tp > td.

Portanto, pode concluir-se que na generalidade, a produtividade de um quimiostato

mais de 3 vezes superior de uma cultura em descontnuo.

rmax oquimiostat .Y.S P m=

d

p

0

mpmax

0

m

batch

oquimiostat

t

0.693.t

XX

ln.tXX

ln P

P+

=+

=

158

Sistemas de Alta Densidade Celular

A afinidade de certos microrganismos para crescerem em superfcies um fenmeno bem

conhecido.

Comparao dos bioprocessos de alta densidade celul ar com os convencionais:

Sistemas convencionais

Recuperao cara do produto;

Custo de capital elevado para aquisio do equipame nto;

Bom para processos multi-enzimticos;

Menor concentrao de biomassa;

Elevados custos para controlo.

159

:

Sistemas de alta densidade celular

Maior concentrao de biomassa;

Maior estabilidade a longo termo;

Possibilidade de reutilizao;

Maior robustez s contaminaes;

Custos de capital mdio para aquisio do equipamen to;

Necessidade de um tamanho ptimo das partculas;

Recuperao barata do produto;

Produtividade volumtrica mais elevada.

160

Classificao dos sistemas de alta densidade celula r

Esta classificao pode ser feita de acordo com o sistema uti lizado para reter as clulas nointerior do bio-reactor:

1. Sistemas em que existe um contacto directo entre as clulas e um suporte inerte(gis de poliacrilamida; alginato); ligao a um suporte inerte (adsoro);estabelecimento de ligaes covalentes .

2. Sistemas em que no h contacto directo com um suporte (sistema demembranas);

3. Sistemas abertos sem barreiras exteriores (flocos; pellets );

4. Sistemas com reciclagem forada .

161

Tipo 1:

Polimerizao de uma soluo aquosa na qual as clulas so su spensas (ex.:polimerizao da acrilamida originando cadeias de poliacr ilamida reticuladas em N,N-metilenobio (acrilamida)). Esta tcnica tem o problema da toxicidade dos monmeros.

Incluso em polissacridos (alginato, carragenato, agar) e protenas (colagneo,gelatina, albumina). No entanto, o alginato tem o problema de no poder ser utilizado emsituaes em que o pH seja baixo ou em que haja altas concentra es de ies monovalentes.Gelatina ou agar no podem ser utilizados com clulas sensveis ao calor.

Outros factores a considerar :

Resistncia mecnica;

Limitaes difusionais;

Libertao de clulas.

Ligao de clulas a um suporte inerte (ex.: adsoro a resinas de permuta inica,aparas de madeira, partculas cermicas e polimricas porosas, quitina e vidro tratado).

Importante a considerar: Fora inica; Potencial zeta; Hidrofobicidade das superf ciescelulares e de adeso.

162

Ligao de clulas mediada por macromolculas (ex.: utilizao de lectinas para

ligao clula-suporte).

Ligao covalente ou coordenada de clulas a suportes (ex.: imobilizao de clulas

em suportes de metais de transio activados, activao dos grupos carboxilato de bolas de

agarose com carboximida seguido de imobilizao). Esta tc nica tem problema de reduzir a

viabilidade celular, no entanto, no permite a libertao d e clulas.

Tipo 2

Caracterizados pela existncia de uma membrana cuja porosidade no permite a

sada de clulas . Estas membranas devem ter elevadas resistncias mecnicas, trmicas e

qumicas. Como problemas associados a esta tcnica so: custo elevado, elevados gastos

energticos e possibilidade de aplicao de elevadas fora s de corte nas clulas ( excepo

dos sistemas de fibras ocas hollow fibers).

163

Tipo 3

As clulas so agregadas em flocos ou pellets . A floculao pode ser natural ou

induzida por floculantes (polielectrlitos catinicos e/ ou aninicos, hidrocolides minerais e

poliacrilato). Tambm pode ser utilizada a tcnica de reticulao entre clulas, recorrendo a

um agente reticulante (ex.: glutaraldedo), apesar deste mtodo reduzir a viabilidade celular.

Como desvantagens associadas a esta tcnica so: fracas propriedades mecnicas dos

agregados. As vantagens so: simplicidade e economia do pro cesso.

Tipo 4

As clulas que saem do bio-reactor so centrifugadas e recicla das . Esta tcnica tem o

inconveniente dos elevados custos fixos de operao.

164

Balanos extracelulares a um bio-reactor de alta de nsidade celular

Considere-se um caso geral de um sistema de alta densidade celular, num reactor contnuo,

fluidizado, com sada de uma corrente diluda e purga de uma corrente concentrada de

biomassa. Admita-se tambm que a reaco ocorre em todo o o bi o-reactor e que o sistema

perfeitamente agitado.

V, X

Alimentao

Q, S0

Entrada de ar

Purga

cQ, X, S

Corrente de sada

(1-c)Q, S, hX

Sada de ar

Q caudal de alimentao;

S0 concentrao de substrato na alimentao;

X concentrao de biomassa no sistema;

hX concentrao de biomassa na corrente diluda;

cQ fraco de corrente de sada com biomassa concentrada.

165

Um balano biomassa , por unidade de volume, permite escrever:

Em estado estacionrio:

Se h = 0 na corrente diluda de sada no h clulas (ex.: sistemas de membranas);

Se h = 1 a corrente de sada tem uma concentrao de biomas sa igual do interior do sistema (ex.: quimiostato).

Nos outros casos: 0 < h < 1.

Quando no h purga de clulas (c = 0). Em estado estacionrio: = h.D

Como, geralmente, h < 1, pode-se trabalhar com altas taxas de diluio (D > ) queconduzem a um aumento da concentrao celular e da produtivi dade (D.X).

XhDcXDcXdtdX

..).1(... ---= m

[ ]hhcD +-= )1.(.m

166

Bio-reactores de Biomassa Imobilizada

Aspectos a considerar no dimensionamento de um bio- reactor

Volume no reactivo ( ) = Volume ocupado pelo imobilizador/Volume total do bio-

reactor

Exemplo: Considere um reactor com um volume tilVR (m3), contendo clulas de levedura

imobilizadas em bolas de alginato de clcio com uma porosidade p e que, no reactor,

ocupam uma fraco de volume igual a S. As clulas contidas nas bolas de alginato tm

uma fraco de clulas viveisy e so responsveis pela produo em contnuo de etanol a

partir de glicose.

A expresso que permite calcular o volume onde se do as reac es bioqumicas de

converso de glicose em etanol ( Vr, m3) ser:

Vr = S V R p y

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Principais Tipos de Bio-reactores

As configuraes mais comummente utilizadas so as de tanque agitado , leitofixo , leito fluidizado e coluna de bolhas e circulao por arejamento ( airlift ).

Aspecto de diversos bio-reactores utilizados para produo em larga escala.

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Tanque agitado

, essencialmente, um vaso

cilndrico com uma altura a duas

vezes o dimetro .

Est equipado com um agitador na

parte inferior, colocado a uma

distncia do fundo igual ao dimetro

do agitador. Por vezes, torna-se

necessrio colocar agitadores

tambm na parte superior.

O distribuidor de ar est colocado

por baixo do agitador e possui

anteparos para evitar a formao de

vrtices.

A turbina o tipo de agitador mais

utilizado.

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Vantagens do tanque agitado:

o tipo de reactor mais usado em processos industriais por isso existe muita

informao disponvel sobre o seu dimensionamento e opera o;

Permitem um fcil controlo do nvel de disperso do gs e da agitao atravs do

controle da velocidade do agitador;

Pode ser usado com misturas reaccionais muito viscosas;

O arejamento quase no contribui para a mistura (esta essen cialmente dependente

do agitador parmetro fundamental no projecto) por isso po de operar-se com

caudais de arejamento muito baixos se tal for necessrio;

Considera-se um grau de mistura perfeito neste tipo de react ores embora na prtica

isso no se verifique exactamente;

muito verstil possibilitando a utilizao de vrios acessrios para tran sferncia

de calor, recirculao, separao celular, etc.

Um bio-reactor com geometria de tanque agitado pode operar em modo descontnuo, semi-contnuo ou contnuo.

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Desvantagens:

Baixa eficincia na transferncia de oxignio;

Necessita de uma grande potncia de agitao;

Necessita de muita remoo de calor (devido grande potncia de agitao);

Com o aumento de escala a rea disponvel para transferncia de calor por unidade

de volume diminui muito;

A agitao pode provocar tenses de corte elevadas tornando-o pouco indicado em

algumas aplicaes (clulas ou agregados celulares sensv eis);

Custos elevados de construo e operao devido grande potncia de agitao

necessria s selagens mecnicas que contm.

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Coluna de bolhas

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Vantagens

Reactor muito simples , com grande resistncia mecnica;

Construo muito bar