CARACTERÍSTICAS:
alimentação contínua do meio de cultura;
volume de reação constante no fermentador;
Biorreator para Fermentação Contínua, da Microcervejaria da USP.
______________________________________________________________FERMENTAFERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
primordial a condição de estado estacionário ou regime permanente(“steady state”);
condição na qual as variáveis de estado (X, S limitante e P) permanecem constantes ao longo do tempo de operação do sistema.
______________________________________________________________FERMENTAFERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
CONTÍNUO EM UM ÚNICO ESTÁGIO: sem e com reciclo de células
CONTÍNUO EM MÚLTIPOS ESTÁGIOS: com uma única alimentação (com ou reciclo) e com múltiplas alimentações (com ou sem reciclo).
______________________________________________________________FORMA DE OPERAFORMA DE OPERAÇÇÃO DA ÃO DA FERMENTAFERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
FERMENTAÇÃO - DORNAS
CENTRÍFUGA
DESTILAÇÃO
ÁGUAÁCIDO
TRATAMENTO DO FERMENTO
MOSTO
Fermentação Continua
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
-Vantagens da Fermentação Contínua:
-Aumento da produtividade do processo, em virtude de uma redução dos tempos mortos ou não-produtivos;
-Obtenção do caldo fermentado uniforme, o que facilita o projeto das operações de recuperação dos produtos de interesse (“downstream”);
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
-Vantagens da Fermentação Contínua:
-Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, o que torna o processo contínuo uma excelente ferramenta para estudos de mecanismos de regulação metabólica ou, ainda, para estudos de otimização da composição de meio de cultura;
-Possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha de produção.
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
-Vantagens da Fermentação Contínua:
-Maior facilidade no emprego de controles avançados;
-Menor necessidade de mão de obra;
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
- Desvantagens da Fermentação Contínua:
-Maior investimento inicial na planta;
-Possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas, resultando na seleção de mutantes menos produtivos;
-Maior possibilidade de ocorrência de contaminações, por se tratar de um sistema essencialmente aberto, necessitando pois, de manutenção de condições de assepsia nos sistemas de alimentação e retirada de meio, desde que o processo assim o exija;
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
- Desvantagens da Fermentação Contínua:
-Dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator, quando se trabalha com baixas vazões, ou quando o caldo adquire comportamento pseudoplástico, como é o caso de cultivo de fungos filamentosos;
-Dificuldades de operação em estado estacionário em determinadas situações (formações de espuma, crescimento de microrganismos nas paredes do reator, ou ainda,nos sistemas de entrada e saída do líquido).
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
FORMAS DE OPERAFORMAS DE OPERAÇÇÃO DA FERMENTAÃO DA FERMENTAÇÇÃO ÃO CONTCONTÍÍNUANUA
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.
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
FORMAS DE OPERAFORMAS DE OPERAÇÇÃO DA FERMENTAÃO DA FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
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.
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Fermentação Contínua - Nomenclatura Usual:
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).
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Fermentação Contínua - Nomenclatura Usual:
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).
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Variação da massa de célula no reator
Massa de célula que entra
Massa de célula
que sai
Massa de célula que aparece
devido ao crescimento
= +-
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+−=
dtdXVFXFX
dtdXV
A velocidade instantãnea de crescimento XdtdX
ocresciment
μ=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
eq.(1)
o
eq.(2)
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Define-se D, como a vazão específica de alimentação
)( 1−= hVFD
residência de tempo1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
D
e
eq.(3)
eq.(4)
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Então, substituindo
portanto
XXXDdtdX μ+−= )( 0
frequentemente o meio é esterilizado, normalmente Xo=0
DXXdtdX
−=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ μ
DXX =μ
D=μ
eq.(5)
eq.(6)
eq.(7)
eq.(8)
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUADe forma análoga
e
XY
SSDdtdSentão
Ycomo
XSSDdtdS
SX
x
S
XSX
s
/0
/
0
)(
,
)(
μμμ
μ
+−=
=
+−=
XPPDdtdP
Pμ+−= )( 0
eq.(9)
eq.(10)
eq.(11)
eq.(12)
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Considerando que no estado estacionário ds/dt=0
Se, µ=D
)( 0/ SSDYX sx −=μ
)( 0/ SSYX SX −=
eq.(13)
eq.(14)
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Para operação do biorreator é extremamente necessário:
Conhecer o comportamento das variáveis, X, S e 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
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
MODELO DE MONOD
Se, µ=D e isolando S, tem-se
SkS
s += maxμ
μ
DDk
S S
−=
maxμ
eq.(15)
eq.(16)
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Substituindo eq. 16 na eq. 14
Por outro lado a produtividade de célula no sistema contínuo é dada por
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=D
DkSYX S
SXmax
0/ μ
DDkK
DYDXP SSSXX −⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
max/ μ
eq.(17)
eq.(18)
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
Estado estacionário de lavagem, ou lavagem “wash-out”,
Dcritico= Vazão específica de alimentação = Máximo de µ
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
________________________________________FERMENTA________________________________________FERMENTAÇÇÃO CONTÃO CONTÍÍNUANUA
EXEMPLO PRÁTICO DE FERMENTAÇÃO CONTÍNUAEm um processo fementativo, em que a lei de Monod, se aplica, obteve-se os seguintes parâmetros:
µmax= 0,5 h-1
Ks= 2 g/L
F = 15 L/h
V = 100 L
So = 10 g/L
Yx/s = 0,51 g/g
Calcular:
i) a produtividade de células;
ii) o tempo necessário de residência;
iii) A velocidade específica de consumo de substrato