![Page 1: FERMENTAÇÃO CONTÍNUA - debiq.eel.usp.brjoaobatista/AULA9FERMENTACAOCONTINUA.pdf · 1.2- Descontínuo Alimentado inóculo mosto F Neste processo um ou mais nutrientes, inclusive](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022052609/5be1d92409d3f280068b895b/html5/thumbnails/1.jpg)
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
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-1.1 Descontínuo Simples
inóculo mosto
Na maioria das vezes este processo é o mais utilizado
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1.2- Descontínuo Alimentado inóculo mosto F Neste processo um ou mais nutrientes, inclusive a fonte de energia, são supridos ao reator de forma contínua baseando-se na demanda do microrganismo e os produtos permanecem no meio até o final de cultivo. O final do enchimento caracteriza o final da fermentação. Graças ao acúmulo de produtos no processo descontínuo alimentado a sua purificação é facilitada, pois a sua concentração é maior quando comparado com o processo contínuo. Observações: 1- A alimentação do substrato baseado no consumo pela célula evita a inibição pelo substrato. 2- Pode-se trabalhar com volumes praticamente constantes (concentração elevada do mosto de alimentação).
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1.3- Semicontínuo inóculo mosto tratamentos finais (Separação) É um contínuo alimentado com alimentação instantânea. Uma vez retirada uma parte do vinho para tratamentos finais, alimenta-se de forma instantânea um volume de mosto idêntico ao volume de vinho retirado. Desta forma pode-se dizer que trata-se de um reator que trabalha de forma descontínua.
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2- BIORREATOR IDEAL DESCONTÍNUO X V S 2.1- Balanço de massa para célula variação de X no reator = [ crescimento ]
cdtdXV
dtdXV
= logo X
dtdX µ=
[ ]
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2.2- Balanço de massa para o nutriente [ variação de S no reator ] = [ consumo para crescimento ]
cdtdSV
dtdSV
=
Sabendo que sXcdt
dS µ=
e também que
dtdX
X1=µ ,
dtdS
Xs1=µ
e que sxY
dSdX
s/==
µµ logo,
sxYs/
µ=µ
substituindo µ S na equação do B. M. para S vem:
x /sYμX
d td S =
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2.3- Produtividade em processos fermentativos descontínuos
Produtividade volumétrica é expressa como gramas de produto por litro por hora e é uma medida da performance global de um processo.
hLgX
hLcélulagPod
....Pr ===
Em um processo batelada (descontínuo), é
necessário calcular a produtividade em relação ao tempo total de processamento, que inclui não somente o tempo de
fermentação, mas também o tempo requerido para esvaziar o
fermentador de uma operação prévia, lavar o tanque, enchê-lo novamente e esterilizar o novo meio. Esse intervalo de tempo
(excluindo o de fermentação) pode ser tão curto como seis horas na obtenção de leveduras ou tão longo como vinte
horas, na produção de antibióticos.
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X t1 t2 tL tf Tempo Onde t1 = tempo para esvaziar a dorna e lavagem t2 = tempo para encher novamente a dorna e esterilizar o meio tl = tempo da fase lag tf = tempo de fermentação em fase exponencial, onde µ = µ máx = cte
1
2ln1XXtf
µ=
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A produtividade global é dada por:
tLttXX
XP+++
µ
=21
12ln
12 = Produtividade em células
A partir da equação anterior, vemos que um inóculo maior aumentará X1 e encurtará o tempo de fermentação. Se forem diminuídos os tempos operacionais t1 e t2, encurtaremos também o ciclo, bem como o uso de células bastante ativas e adaptadas no mesmo meio, diminuirá a fase lag. Se o ciclo de fermentação é curto (12 - 48h) tais como na obtenção de levedura ou fermentação alcoólica, os tempos operacionais são importantes na produtividade global. Por outro lado, com longos tempos de fermentação (150 - 200h), tal como na produção de antibióticos, uma diferença de poucas horas é de pequeno significado.
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3- BIORREATOR IDEAL CONTÍNUO Para a dedução das equações serão necessárias algumas considerações: -Estado estacionário ocorre quando as propriedades do meio, em cada ponto, permanecem constantes com o tempo. - Tanques com agitação completa e perfeita. - Finalidade do processo é a produção de microrganismo.
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FERMENTAÇÃO CONTÍNUA• Caracteriza-se por possuir alimentação de meio
de cultura a uma vazão constante, sendo o volume de reação no fementador mantido constante, e a retirada do contínua do caldo fermentado;
• O sistema deve ser mantido no estado estacíonário, onde a concentração celular, de substrato e de produto, permaneçam constante durante todo o tempo de operação do sistema
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FERMENTAÇÃO CONTÍNUA• A manutenção do volume constante no reator,
significa teoricamente, a necessidade de manter vazões idênticas de alimentação e de retirada de meio, que na prática é quase impossível;
• Por isso, utiliza-se sistemas, de retirada de amostras por tranbordamento “ladrão”, de forma a manter o líquido constante no reator;
• Emprega-se bombas com sistemas de controle automático do fermentador de modo a manter a massa do reator;
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FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUACONTÍNUA
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.
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FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUAFORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
Dependendo do instante em que se inicie o processo contínuo propriamente dito, bem como a vazão de alimentação empregada, o sistema poderá convergir com maior ou menor rapidez a situação de estado estacionário;recomenda-se usualmente que se inicie a alimentação com o cultivo em fase exponencial; e que a concentração de biomassa X, seja a mais elevada possível.
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FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUAFORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
O sistema de fermentação contínua e extremamente versátil, quanto as sua várias possibilidades de operação tais como: Contínuo em um único estágio, ou seja, somente um reator;
Sem reciclo de células;
Com reciclo de células
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FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL
INTRODUÇÃO
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FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL
INTRODUÇÃO
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FORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUAFORMAS DE OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
Contínuo em múltiplos estágios, ou seja vários fermentadores;
Sem reciclo de células;
Com reciclo de células
Cada uma dessas diferentes opções, irá resultar em distintos comportamentos das variáveis de estado (células, substratos e produto)
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INTRODUÇÃO VÁRIAS DORNAS
CENTRÍFUGA
DESTILAÇÃO
ÁGUA ÁCIDO
TRATAMENTO DO FERMENTO
MOSTO
Fermentação Continua
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VARIÁVEIS DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA:Yx/s: Fator de Conversão de Substrato em Células (ex: gx/gs).
µx; µs; µp: Velocidades Específicas de Crescimento Celular (ex: h-1); Consumo de Substrato (ex: gs/gx.h) e Formação de Produto (ex: gp/gx.h).
F: Vazão Volumétrica de Alimentação de meio (L/h).
V: Volume de Meio no Reator (L).
X: Concentração de Células no Reator (g/L).
Xo: Concentração de Células no meio de alimentação (g/L).
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VARIÁVEIS DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA:
S: Concentração de Substrato Limitante no Reator (g/L).
So: Concentração de Substrato Limitante no meio de alimentação (g/L).
P: Concentração de Produto P no reator (g/L).
Po: Concentração do Produto P no meio de alimentação (g/L).
D: Vazão Específica de Alimentação – (F/V) – “dilution rate” (h-1).
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OPERAÇÃO DA FERMENTAÇÃO CONTÍNUA:
Para operação do sistema é necessário conhecer o comportamento das variáveis:
X,
S,
P,
no estado estacionário, em função da vazão específica de alimentação D,
a fim de se obter faixas ideais de operação do sistema, tendo em vista a produtividade do processo
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3.1- Balanço de material para a célula F = vazão (volume/tempo) S0 F X0 = 0 X S variação de X = crescimento no - retirada de células no reator reator do reator
FXcdt
dXVdtdXV −
= (÷ V)
Definindo DVF = = vazão específica
DdtdX
X−µ=1
no estado estacionário,
0=dtdX logo, µ = D
[ [
[ ]
] ]
Essas equações são de fundamental importância para a análise dos sistema contínuo de fermentação, pois indicam que na condição de regime permanente, a concentração celular se mantém constante, graças ao equilíbrio entre a velocidade de crescimento de célula e a velocidade de retirada de células do fermentador
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3.2- Balanço de material para o nutriente variação de S = [ alimentação ] - consumo p/ - [ retirada ] no reator crescimento
FScdt
dSVFSdtdSV −
−= 0
Sabendo que sxYcdt
dSXs
/
1 µ=
=µ
VFS
sxYX
VFS
dtdS −µ−=
/0
( )
sxYXSSD
dtdS
/0
µ−−=
No estado estacionário 0=
dtdS e µ =D
( )
sxYXSSD/
0µ=−
S = S0 - X YX/S
[ [ ] ]
De forma análoga, pode se equacionar os balanços materiais para o substrato limitante
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3.3- Análise da estabilidade do biorreator ideal contínuo
De posse das equações do balanço mássico podemos analisar a estabilidade do processo contínuo, quando por algum
motivo é desfeito o estado estacionário. Para tal podemos considerar as seguintes equações:
XsxY
SSDdtdS µ−−=
/
1)0( eq. 1
SskS
+µ=µ max eq. 2
DdtdX
X−µ=1 eq. 3
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1° Caso: Diminuição de X no tanque por algum motivo. Pela eq. 1 0>
dtdS logo, ocorre um aumento de S com o tempo.
Pela eq. 2 aumento de µ
Pela equação 3 0>dtdX portanto, ocorre um aumento de X até que se
atinge novamente o estado estacionário. ( O sistema tende novamente ao regime estacionário ).
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2° Caso: Aumento de X no tanque.
Pela equação 1 0<dtdS logo, ocorre uma diminuição de S com o tempo.
Pela equação 2 µ diminui. Pela equação 3 0<
dtdX o que provoca uma diminuição de X até que se
atinge novamente o estado estacionário. ( O sistema tende novamente ao regime estacionário ).
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3° Caso: Regime estacionário desfeito pela diminuição de F, logo
diminuição de D.
Pela equação 1 0<
dtdS logo ocorre uma diminuição de S com o tempo.
Pela equação 2 e 3 µ diminui até atingir µ = D. ( Atinge-se um novo estado estacionário ).
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4° Caso: Aumento de D para valores < µ máx.
Pela equação 1 0>dtdS logo, ocorre um aumento de S com o tempo.
Pela equação 2 e 3 µ aumenta até atingir µ = D. ( Atinge-se um novo estado estacionário ).
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5° Caso: Aumento de D para valores ≥ µ máx.
Pela equação 3 XDXdtdX −µ= max
0<dtdX logo a concentração de X diminuirá com o tempo, ocorrendo o que
se denomina arraste do m.o. do fermentador.
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3.4- Análise da variação de S com D Para analisarmos como ocorre a variação de S com a variável D é necessário deduzirmos algumas equações:
Sabemos pela equação 2 Ssk
S+
µ=µ max isolando a variável S
temos µ−µ
µ=max
skS mas no estado estacionário µ = D.
Logo D
sDkS−µ
=max
eq. 4
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1° Caso: Para valores de D << µ máx . Pela equação 4 S aumenta proporcionalmente a D. 2° Caso: Para valores de D próximos de µ máx. S aumenta rapidamente com o aumento de D. Pela equação 4 S tende ao infinito quando D se aproxima de µ máx. Porém, isto não é verdade, o que acontece é que S tende a S0.
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3.5- Análise da variação de X com D Agora iremos analisar como ocorre a variação de X com a variável D e para isso será necessário deduzirmos a equação de X = f (D). Pela equação 4 e pela equação do balanço mássico de S no estado estacionário temos que:
sxYXS
DsDk
/0
max−=
−µ e
−µ−=
DsDkSsxYX
max0/ eq.5
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1° Caso: Para baixos valores de D. O 2° termo da diferença da equação 5 é baixo, logo X ≅ YX/S S0 2° Caso: Para valores de D próximo de µ máx. O 2° termo da equação 5 tende a infinito, ou seja, tende a S0, logo X tende a zero.
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3.6- Análise da variação da produtividade com D Um processo fermentativo é avaliado pelos seus fatores de conversão YX/S ou YP/S e também pela sua produtividade. Para o processo contínuo: Produtividade = P = X D
Pela equação 5
−
−=DcD
DskSsxDYP 0/ eq. 6
Onde, Dc = µmax
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Agora podemos analisar a figura que representa as variações de X, S e P com a vazão específica D.
X S P DC = µ máx D Por este gráfico podemos concluir que manter o processo em estado estacionário próximo ao DC é muito difícil pois uma ligeira variação de D pode ocorrer grandes variações de X, S e P. A escolha das condições de trabalho dependerá de uma série de considerações de ordem econômica. ( S barato ou S caro ).
Dessa forma, pose se prever o comportamento de X, S e P em função da vazão específica de alimentação D;
Observa-se que X permanece praticamente constante, em uma grande faixa de valores de D, ocorrendo uma brusca queda até zero, quando D, aproxima-se de µmax.
Por outro lado, S tende para S0
Quando isto, acontece chama se de Estado Estacionário de Lavagem (wash-out)Assim o estado de lavagem, determina a condição de operação do reator, que está entre zero e µmax, desde que
D < Dc.
Recomenda-se operar com D em torno de 10 a 15% menor que µmax
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ESTADO DE LAVAGEM• Embora indesejável, esta situação é usualmente
empregada para determinção de µmax em fermentação contínua (método dinâmico)
• Impõem µ > D,
XDdtdX )( max −= µ
))(( max oi
ttDXXn −−= µ Sendo t0, o instante que
se fez D > µmax
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MÉTODO DINÂMICO
))(( max oi
ttDXXn −−= µ
lnX/Xi
tempo
α=(µmax – D)
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3.7- Comparação entre o processo de cultivo contínuo e o descontínuo Vantagens do processo contínuo: 1- Redução dos tempos improdutivos; 2- Obtenção de produto uniforme; 3- Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico (por exemplo: µ = cte) e portanto a possibilidade de trabalhar em condições ótimas de cultivo; 4- Maior facilidade de controles automáticos; 5- Possibilidade de associação com outras operações contínuas da linha de produção; Desvantagens do processo contínuo ( Problemas práticos ) : 1- Manutenção de condições de assepsia por longos períodos de tempo, e possibilidade de ocorrência de mutações; 2- Possibilidade de ocorrência de perda de viabilidade de parte significativa da população microbiana; 3- Dificuldade de manutenção de homogeneidade no fermentador, quando se trabalha com baixas vazões, ou quando se tem meios muito viscosos.
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3.8- Aplicações práticas de processos fermentativos contínuos No que se refere à produção de células podemos dizer que a fabricação de leveduras constitui o principal exemplo de aplicação prática dos processos de cultivos contínuo. A maioria das instalações industriais apresenta, como característica comum o fato de trabalharem com tanques de elevada capacidade, da ordem de 140 mil litros. As matérias- primas mais comumente utilizadas nas instalações existentes são melaço e resíduos agrícolas ( hidrolizado de água de amido por exemplo ). E o tipo de levedura mais produzido é a Saccharomyces cerevisiae. O valor da concentração celular resultante de cultivos contínuos é da ordem de 10 g /L e só se atinge valores maiores quando se faz recirculação de células.
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FORMAÇÃO DE PRODUTOS NO SISTEMA CONTÍNUO
• Produção associada ao crescimento:µp = ᵕ Produção não associada ao crescimento:µp = β• Produçaõ parcialmente associada ao
crescimentoµp = αµ + β
P = αX
P = βX/D
P = X[α +(β/D)]
LUEDEKING e PIRET PROCESSO CONTÍNUO,