Download - Eng. Fermentacoes2013 2014
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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
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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 .
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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.
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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.
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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.
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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.
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7
Fluxograma da produo de fermento de padeiro (Lee, 2001).
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8Instrumentao de controlo associada operao de um bio-reactor perfeitamente agitado (Lee, 2001).
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Fluxograma do processo de produo de penicilina (V ogel & Todaro, 1997).
Nutrientes
Arrefecimento
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10
Fluxograma de um processo fermentativo (fermentador e todas a unidades de controlo necessrias) (Lee, 2001).
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Produtos industrias obtidos por processos biolgico s (Lee, 2001)
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Os custos de produo dependem fundamentalmente do bom ou mau funcionamento do reactor.
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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).
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Mtodos utilizados na ruptura celular.
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Estgios de recuperao de um produto extracelular solvel a partir de meio de fermentao.
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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.
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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 .
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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).
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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.
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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.
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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
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Classificao Nutricional dos Microrganismos
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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).
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Modelos de crescimento microbiano
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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.
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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).
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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
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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
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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
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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).
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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)
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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)
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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
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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
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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 -=/
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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)
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37(Bailey e Ollis, 1987)
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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
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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 =/
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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.
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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
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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.
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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-=
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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).
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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.
! "
-
113
#$ %! &% (
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# $
% & #!#
Con
cent
ra
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.
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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
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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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167
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