Formas de condução de um processo fermentativo

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1 Formas de condução de um processo fermentativo
As formas básicas de condução de um processo fermentativo são o descontínuo e o contínuo. Descontínuo alimentado e Semicontínuo são formas desenvolvidas a partir das formas básicas com o objetivo de contornar problemas inerentes a estes processos.

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As diferenças entre as formas de operação podem ser bem entendidas em relação a variação do volume do cultivo, da massa total e das concentrações de células, substrato e produto em função to tempo. As diferenças são caracterizadas principalmente pelas diferentes formas de adição do substrato e dos nutrientes.

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Processo Descontínuo Características principais: Todos os nutrientes são adicionados ao biorreator antes do início do processo, exceto O2, e outros produtos químicos necessários para controle de pH e espuma. O volume no decorrer da fermentação permanece constante.

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Processo Descontínuo Modo de operação: » No instante inicial o meio de fermentação é inoculado e incubado em condições adequadas; » No decorrer da fermentação nada é adicionado, exceto oxigênio (ar), antiespumante, ácido e base para controle de pH; » Terminada a fermentação descarrega-se o meio fermentado; »O fermentador é então lavado, carregado novamente e iniciado outro processo.

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Processo Descontínuo Modo de operação:

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Processo Descontínuo

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Processo Descontínuo Vantagens: » Apresenta menor risco de contaminação (comparado ao contínuo); » Grande flexibilidade de operação, podendo-se usar os fermentadores para a fabricação de diferentes produtos; » Condições de controle mais estreitas da estabilidade genética dos microrganismos.

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Processo Descontínuo Desvantagens: » Se o substrato exercer efeito de inibição, poderá ocorrer baixos rendimentos e/ou produtividades. » Apresenta “tempo morto”, tempo em que o fermentador não está sendo usado no processo fermentativo propriamente dito, como tempo de carga, descarga e lavagem.

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Processo Descontínuo Aplicações: » É o mais utilizado na indústria de alimentos e bebidas, como: iogurte, cerveja, vinho, picles, chucrute, etc. » Permite o conhecimento básico da cinética de fermentação, para que se possa propor alternativas de condução de processo.

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Processo Descontínuo Tipos de inóculo usados em processos descontínuos: » Com um único inóculo por fermentação; » Com reaproveitamento de células para o inóculo; » Com inóculo por sistema de corte.

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Processo Descontínuo Com um único inóculo por fermentação: » Propagado a partir de uma cultura pura. » Oferece poucos riscos de contaminação.

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Processo Descontínuo Com reaproveitamento de inóculo: » É utilizado como inóculo as células da fermentação anterior. (para isso pode-se utilizar parte do meio de fermentação ainda homogêneo, esperar que o microrganismo sedimente no fermentador ou ainda centrifugar o meio fermentado). » Há uma tendência em aumentar o número de contaminação a cada fermentação. » Técnica comum em destilaria de álcool.

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Processo Descontínuo Com reaproveitamento de células para inóculo:

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Processo Descontínuo Com inóculo por sistema de corte: » O “corte” pode ser feito na fase exponencial, quando deseja-se propagar inóculo, ou após o fim da fermentação. »Inocula-se uma dorna, quando é atingido um estágio apropriado de fermentação, passa-se parte do conteúdo para uma dorna vazia, em seguida enche-se as duas dornas com meio. » Pode levar a sérias quedas de rendimento. » O controle do rendimento pode indicar quando deve-se interromper os cortes e iniciar nova fermentação com novo inóculo.

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Processo Descontínuo Com inóculo por sistema de corte:

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Processo Descontínuo Alimentado É definido como um modo de operação no qual um ou mais nutrientes (incluindo substrato), ou mesmo todos os nutrientes são adicionados gradualmente durante o processo de fermentação e os produtos formados permanecem no meio até o tempo final.

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Processo Descontínuo Alimentado

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Processo Descontínuo Alimentado - Com reaproveitamento de células.

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Processo Descontínuo Alimentado Características principais: » O volume varia durante o decorrer da fermentação (embora possa ser pequena variação em alguns casos); » A vazão de alimentação pode ser constante ou variar com o tempo, e a adição de mosto pode ser contínua ou intermitente. » É possível controlar a concentração de substrato na fermentação (podendo assim interferir no metabolismo microbiano, levando a diferentes perfis de concentração não só de substrato, mas também de células e produto).

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Processo Descontínuo Alimentado

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Processo Descontínuo Alimentado Aplicações: » Minimiza a repressão catabólica. Minimização dos efeitos do controle do metabolismo celular (Exemplos: produção de determinados antibióticos como neomicina, estreptomicina, bacitracina, sofrem repressão pela presença de glicose em concentrações mais elevadas)

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Processo Descontínuo Alimentado Aplicações: » Prevenção da inibição por substrato. Evita que elevadas concentrações de substrato causem inibições da fermentação. (Exemplos: concentração de glicose superiores a 100 g/L podem causar inibição em fermentação alcoólica com Saccharomyces cerevisiae).

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Processo Descontínuo Alimentado Aplicações: » Minimização da formação de produtos metabólicos tóxicos. (Exemplos: para E. coli, fonte de carbono em excesso, mesmo em aerobiose, levam a formação de ácido acético, inibidor do crescimento).

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Processo Descontínuo Alimentado Aplicações: » Superação de problemas frequentes de estabilidade em processos contínuos. (Exemplos: contaminação, mutação espontânea e instabilidade de plasmídeos).

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Processo Descontínuo Alimentado Aplicações: » Adequação do processo fermentativo a condições operacionais. (Exemplos: com o aumento do tamanho das dornas usadas nas fermentações alcoólicas, a formação de espuma passou a ser um problema devido ao grande volume dos fermentadores, entretanto, isso pode ser resolvido com a operação em sistema descontínuo alimentado).

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Processo Descontínuo Alimentado Aplicações: » Estudo cinético de processos fermentativos. O processo descontínuo alimentado permite: - manter baixos níveis de substrato por longos períodos; - manter a concentração celular constante.

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Processo Semicontínuo O processo de fermentação é chamado semicontínuo quando, uma vez colocado no fermentador o meio e o inóculo, as operações que se seguem obedecerem à seguinte ordem: 1º - Aguarda-se o término da fermentação; 2º - Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se no fermentador o restante do mosto; 3º - Adiciona-se ao fermentador um volume de mosto igual ao volume de meio fermentado retirado; 4º - Repete-se esta sequência.

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Processo Semicontínuo

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Processo Semicontínuo Características principais: » O meio fermentado não retirado do reator serve de inóculo para a próxima fermentação.

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Processo Semicontínuo No sistema Semicontínuo é utilizado como inóculo as células da fermentação anterior que podem ser uma fração homogênea do meio ou mesmo células separadas por sedimentação. Um exemplo deste processo é o Melle-Boinot, usado em fermentações alcoólicas.

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Processo Semicontínuo Vantagens: Possibilidade de operar o fermentador por longos períodos (às vezes alguns meses) sem que seja necessário preparar um novo inóculo. Possibilidade de aumentar a produtividade do reator apenas modificando a forma de operação. Ex: processo de fermentação de cacau.

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Processo Contínuo O processo de fermentação contínua caracteriza-se por possuir uma alimentação constante de meio de cultura com uma determinada vazão (constante), sendo o volume de meio no reator, mantido inalterado através da retirada contínua de caldo fermentado. Pode ser operado por longos períodos de tempo em estado estacionário.

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Processo Contínuo Vantagens em relação ao descontínuo: » Aumento da produtividade do processo; » Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico; » Maior uniformidade do processo; » Possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha de produção; » Menor necessidade de mão-de-obra.

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Processo Contínuo Desvantagens em relação ao descontínuo: » Maior investimento inicial; » Possibilidade de ocorrência de mutação genética espontânea (com consequente queda da produtividade); » Maior possibilidade de contaminação; » Dificuldade de manutenção da homogeneidade; » Dificuldade de operação em estado estacionário em determinados processos.

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Processo Contínuo Aplicações: A utilização do processo contínuo de fermentação encontra grandes aplicações práticas, como: fermentação alcoólica, tratamento de resíduos. Estes casos citados são processos não assépticos. Em processos em que se necessita de maior assepsia, como produção de enzimas e antibióticos, o processo contínuo encontra ainda aplicações restritas.

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Processo Contínuo Formas de operação no sistema contínuo: A operação inicia-se como um processo descontínuo e a partir de um dado momento inicia-se a alimentação de nutrientes e a retirada de meio fermentado. Após um tempo o sistema convergirá ao estado estacionário.

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Processo Contínuo Formas de operação no sistema contínuo: O sistema contínuo é extremamente versátil quanto as suas várias possibilidades de operação, tais como: Sem reciclo de células Único estágio Com reciclo de células Processo contínuo Sem reciclo de células Com uma única alimentação Múltiplos estágios Com reciclo de células Sem reciclo de células Com múltiplas alimentações Com reciclo de células

38 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Sem reciclo de células Único estágio Com reciclo de células Processo contínuo Sem reciclo de células Com uma única alimentação Múltiplos estágios Com reciclo de células Sem reciclo de células Com múltiplas alimentações Com reciclo de células

39 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Sem reciclo de células Único estágio Com reciclo de células Processo contínuo Sem reciclo de células Com uma única alimentação Múltiplos estágios Com reciclo de células Sem reciclo de células Com múltiplas alimentações Com reciclo de células

40 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Sem reciclo de células Único estágio Com reciclo de células Processo contínuo Sem reciclo de células Com uma única alimentação Múltiplos estágios Com reciclo de células Sem reciclo de células Com múltiplas alimentações Com reciclo de células

41 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Sem reciclo de células Único estágio Com reciclo de células Processo contínuo Sem reciclo de células Com uma única alimentação Múltiplos estágios Com reciclo de células Sem reciclo de células Com múltiplas alimentações Com reciclo de células

42 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Sem reciclo de células Único estágio Com reciclo de células Processo contínuo Sem reciclo de células Com uma única alimentação Múltiplos estágios Com reciclo de células Sem reciclo de células Com múltiplas alimentações Com reciclo de células

43 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Sem reciclo de células Único estágio Com reciclo de células Processo contínuo Sem reciclo de células Com uma única alimentação Múltiplos estágios Com reciclo de células Sem reciclo de células Com múltiplas alimentações Com reciclo de células

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Processo Contínuo Como o reator opera em estado estacionário (não há variação de X, S e P em função do tempo), para um dado processo fermentativo X, S e P variam em função da vazão específica de alimentação D (F/V). PX = D.P

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Processo Contínuo A concentração celular permanece praticamente constante em uma grande faixa de valores de D. As maiores produtividades estão próximas de D=µmax , mas esta é uma condição muito instável. Por isso costuma-se trabalhar com D em torno de 10 a 15% menor que µmax.