Geometria dos Bioreatores - USPjoaobatista/fermentacaocontinua.pdfos seguintes parâmetros: µ max= 0,5 h-1 K s= 2 g/L F = 15 L/h V = 100 L S o = 10 g/L Y x/s = 0,51 g/g Calcular:

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”);



-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.



-Maior facilidade no emprego de controles avançados;

-Menor necessidade de mão de obra;


- 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;


- 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).


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.


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.


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).


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).


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)


Define-se D, como a vazão específica de alimentação

)( 1−= hVFD

residência de tempo1=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

D

e

eq.(3)

eq.(4)


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)


Considerando que no estado estacionário ds/dt=0

Se, µ=D

)( 0/ SSDYX sx −=μ

)( 0/ SSYX SX −=

eq.(13)

eq.(14)


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


MODELO DE MONOD

Se, µ=D e isolando S, tem-se

SkS

s += maxμ

μ

DDk

S S

−=

maxμ

eq.(15)

eq.(16)


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)


Estado estacionário de lavagem, ou lavagem “wash-out”,

Dcritico= Vazão específica de alimentação = Máximo de µ



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

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Geometria dos Bioreatores - USPjoaobatista/fermentacaocontinua.pdfos seguintes parâmetros: µ max= 0,5 h-1 K s= 2 g/L F = 15 L/h V = 100 L S o = 10 g/L Y x/s = 0,51 g/g Calcular: