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FABRICAÇÃO DO ÁLCOOL

INTRODUÇÃO

BIORREATORES

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INTRODUÇÃO

Os processos de fermentação utilizados hoje em dia são combinações de tecnologias que melhoram o rendimento do processo. Descontínuo -com um inóculo simples por tanque -com ou sem a Descontínuo recirculação do alimentado microrganismo Processo de Fermentação -com ou sem a Semicontínuo recirculação do microrganismo - em um tanque ou Contínuo tanques em série com ou sem recirculação de m.o.

{

{

{{

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

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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 finaldo 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 quandocomparado com o processo contínuo. Observações: 1- A alimentação do substrato baseado no consumo pela célula evita ainibição 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 vinhoretirado. 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

dSμ=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

e também que

dtdX

X1

=μ , dtdS

Xs1

=μ

e que sxY

dSdX

s/==

μμ logo,

sxYs/

μ=μ

substituindo μS na equação do B. M. para S vem:

x/sYμX

dtdS

=

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2.3- Produtividade em processos fermentativos descontínuos

Produtividade volumétrica é expressa como gramas de produto por litropor 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 totalde 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 seishoras 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 = μmáx = 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 X1e encurtará o tempo de fermentação. Se forem diminuídos os temposoperacionais t1 e t2, encurtaremos também o ciclo, bem como o uso de célulasbastante 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 naprodutividade global. Por outro lado, com longos tempos de fermentação (150 -200h), tal como na produção de antibióticos, uma diferença de poucas horas éde pequeno significado.

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3- BIORREATOR IDEAL CONTÍNUO Para a dedução das equações serão necessárias algumasconsiderações: -Estado estacionário ocorre quando as propriedades do meio, em cadaponto, permanecem constantes com o tempo. - Tanques com agitação completa e perfeita. - Finalidade do processo é a produção de microrganismo.

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INTRODUÇÃO3.1- 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

[ [ [] ] ]

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INTRODUÇÃO3.2- 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

[ [] ]

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3.3- Análise da estabilidade do biorreator ideal contínuo

De posse das equações do balanço mássico podemosanalisar 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 < μmáx.

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 ≥ μmáx.

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 énecessário deduzirmos algumas equações:

Sabemos pela equação 2 Ssk

S+

μ=μ max isolando a variável S

temos μ−μ

μ=

maxskS 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 paraisso será necessário deduzirmos a equação de X = f (D). Pela equação 4 e pela equação do balanço mássico de S no estadoestacionário 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/Sou YP/S e também pela sua produtividade. Para o processo contínuo: Produtividade = P = X D

Pela equação 5 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=DcD

DskSsxDYP 0/ eq. 6

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INTRODUÇÃOAgora podemos analisar a figura que representa as variações de X, S e P com avazão específica D.

X S P DC = μ máx D Por este gráfico podemos concluir que manter o processo em estadoestacionário próximo ao DC é muito difícil pois uma ligeira variação de D podeocorrer grandes variações de X, S e P. A escolha das condições de trabalho dependerá de uma série deconsiderações de ordem econômica. ( S barato ou S caro ).

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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 deprodução; Desvantagens do processo contínuo ( Problemas práticos ) : 1- Manutenção de condições de assepsia por longos períodos de tempo, epossibilidade de ocorrência de mutações; 2- Possibilidade de ocorrência de perda de viabilidade de parte significativada 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 deleveduras constitui o principal exemplo de aplicação prática dos processos decultivos contínuo. A maioria das instalações industriais apresenta, como característica comumo fato de trabalharem com tanques de elevada capacidade, da ordem de 140 millitros. As matérias- primas mais comumente utilizadas nas instalações existentessão melaço e resíduos agrícolas ( hidrolizado de água de amido por exemplo ). Eo 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.