Exercicios Biorreatores

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Exercício de Biorreatores 
 
 
1) Processo Descontínuo-Alimentado (Fed-Batch) 
 Um biorreator está sendo operado de forma descontínuo-alimentada, com uma 
vazão de alimentação de meio de cultura F. Desejando-se que o tempo de geração 
(tempo de duplicação) das células se mantenha constante desde o início do cultivo, 
 calcule F como função do tempo. Despreze uma eventual fase lag (de adaptação), o 
coeficiente de manutenção (mS) e a variação de volume. 
Esboce a curva de X e S em função do tempo para as primeiras horas de cultivo. 
Considere válido o modelo de Monod, com velocidade específica de crescimento 
máxima = 0,5h-1 e KS=0,3g/L. 
Dados: concentração do substrato limitante na alimentação: 200 g/L; Yx/s= 0,4 g/g. 
Condições iniciais: V=1000 L; Xo=0,5 g/L; So=2 g/L. 
 
2) Processo Contínuo 
 E. coli é cultivada em estado estacionário (processo contínuo) sob condições 
aeróbicas com limitação por glicose. Quando o sistema é operado a D=0,2h-1, com 
concentração de substrato na alimentação de 5 g/L, determine a concentração de 
glicose no efluente. Considere válidos os modelos de Monod, com µmax=0,25h-1 e 
KS=100 mg/L, e de Pirt, com YX/S=0,4 g/g e mS = 0. 
 
 
3) Processo Contínuo 
 Considere um determinado bioprocesso contínuo operando inicialmente em 
estado estacionário, em um biorreator com 10 litros de volume útil, empregando-se 
uma vazão de alimentação de meio de 2 L/h. A partir de um determinado instante 
(t=0h), a vazão da bomba foi alterada acidentalmente para 8 L/h, de maneira a se obter 
os resultados indicados na tabela abaixo: 
t (h) 1 2 3 4 5 6 7 
X (g/L) 4,02 2,70 1,81 1,21 0,81 0,54 0,36 
 
Tendo em vista tais resultados, calcule as condições vigentes no estado estacionário 
anterior à alteração na vazão da bomba de alimentação (concentração celular e 
concentração do substrato limitante). Calcule também a concentração do substrato 
limitante na alimentação. Admitir válida a cinética de Monod, com KS=0,5 g/L e o 
Modelo de Pirt com mS=0 e YX/S=0,4 g/g. 
 
4) Operações de bioprocessos 
Relacione as formas de operações típicas de bioprocessos: descontínuo (A), fed-batch 
(B), contínuo (C) e perfusão (D) aos respectivos gráficos que indicam comportamentos 
da concentração de substrato limitante (S), concentração de células (X), volume de 
reação (V) e concentração de produto (P). 
 
 
5) Operações de bioprocessos 
Bioprocessos (processos com microrganismos, células animais ou vegetais) são 
sistemas multifásicos, operados em biorreatores de diferentes configurações. Como 
resultado de vários requerimentos da célula viva, em relação ao ambiente (reacional), 
não existem biorreatores universais. No entanto, algumas regras básicas podem ser 
estabelecidas para a escolha e projeto de tais equipamentos. Examine as alternativas a 
seguir sobre a construção e a operação de biorreatores e assinale a única incorreta. 
 
(A) O material para a construção de biorreatores deve possuir rugosidade superficial 
mínima, para evitar depósito de material biológico, que poderá resultar em 
incrustações, dificultando a limpeza do biorreator. 
 
(B) Quanto ao tipo de mistura, biorreatores podem ser agitados mecânica-, hidraúlica- 
ou pneumaticamente; em todos os casos, devem permitir adequado controle e 
instrumentação, bem como facilidade na ampliação de escala da produção. 
 
(C) A opção preliminar por um determinado tipo de configuração de biorreator depende 
de uma série de fatores, incluindo o tipo de célula, seu estado metabólico, sua 
morfologia, o meio de cultivo, o processo bioquímico de conversão e as exigências de 
esterilização. 
 
(D) De acordo com o tipo e forma do agente do bioprocesso, os biorreatores podem ser 
operados com células livres ou imobilizadas. No primeiro caso, a opção deve recair 
obrigatoriamente em um sistema não dotado de agitação mecânica, a fim de não 
comprometer a atividade metabólica das células. 
 
 
6) Operações de bioprocessos 
Considere o equipamento principal (o biorreator), onde as conversões irão ocorrer e a 
biomolécula de interesse será produzida. A mistura reacional, constituída de meio de 
cultivo e células, será então processada em biorreator, onde deverão ser mantidas as 
condições ótimas para o agente biológico expressar o máximo de sua atividade 
metabólica. Neste equipamento, vários fenômenos químicos, físicos e, naturalmente, 
biológicos ocorrem. Pode-se encontrar uma grande variedade de configurações de 
biorreatores. Neste contexto, avalie as afirmativas a seguir. 
 
I. Os biorreatores agitados mecanicamente são, sem dúvida, os mais estudados e 
utilizados industrialmente. Embora não necessariamente ideais, tais 
equipamentos apresentam versatilidade e fornecem bons resultados para uma 
grande gama de bioprocessos. Isto é particularmente importante para as 
companhias farmacêuticas, pois diferentes substâncias podem ser produzidas no 
mesmo biorreator durante o seu tempo de vida. Adicionalmente, os 
investimentos em capital para a construção destes equipamentos são 
normalmente recuperados na comercialização do primeiro produto. 
 
II. Apesar de sua flexibilidade, pois podem ser empregados para uma grande gama 
de processos realizados pela célula viva, os biorreatores agitados mecanicamente 
apresentam certas desvantagens, como por exemplo: demandam grande aporte 
de energia para a agitação mecânica, tendem a afetar a morfologia celular, são 
de difícil escalonamento e têm de ser cuidadosamente projetados para produzir 
adequada mistura e aeração. 
III. Nos biorreatores agitados pneumaticamente, a potência necessária para se atingir 
o grau de mistura desejável no sistema reacional, a fim de se produzirem altas 
taxas de transferência de massa e calor, é suprida pela energia cinética do 
líquido, por meio de sua circulação pelo movimento das bolhas gasosas, isto é, 
pneumaticamente. Este tipo de biorreator, conhecido na literatura inglesa como 
airlifit (com circulação interna ou externa) ou coluna de bolhas (bubble column), 
é aplicado a sistemas biológicos suscetíveis às forças cisalhantes, tão intensas 
em biorreatores agitados mecanicamente. 
 
Assinale: 
(A) se apenas a afirmativa I estiver correta. 
(B) se apenas as afirmativas I e II estiverem corretas. 
(C) se apenas as afirmativas I e III estiverem corretas. 
(D) se apenas as afirmativas II e III estiverem corretas. 
(E) se todas as afirmativas estiverem corretas. 
 
7) Operações de bioprocessos 
Bioprocessos podem ser operados por batelada simples, batelada alimentada e processo 
contínuo. A eleição por uma destas formas de operação deve ser feita criteriosamente, 
levando-se em conta, fundamentalmente, a fisiologia do agente do bioprocesso. Com 
base nestas informações, considere as afirmativas a seguir. 
I. A operação de um bioprocesso contínuo em um reator de mistura completa sem 
reciclo celular resulta, no estado estacionário, em constante modificação na 
composição química do meio sendo retirado. 
II. Em um cultivo contínuo com reciclo celular em estado permanente, um aumento 
da vazão de alimentação levará o cultivo a um estado transiente, antes que um 
novo estado permanente seja atingido. 
III. Em um cultivo contínuo sem reciclo celular em estado permanente, uma 
diminuição da vazão de alimentação levará o cultivo a um estado transiente, 
antes que um novo estado permanente seja atingido. 
Assinale: 
(A) se apenas a afirmativa I estiver correta. 
(B) se apenas as afirmativas I e II estiverem corretas. 
(C) se apenas as afirmativas I e III estiverem corretas. 
(D) se apenas as afirmativas II e III estiverem corretas. 
(E) se todas as afirmativas estiverem corretas. 
8) Operações de bioprocessos 
Os processos levados a cabo por microrganismos podem ser operados em batelada 
simples, batelada alimentada e continuamente. A eleição de uma destas formas de 
operação deve ser feita criteriosamente, levando-se em conta, fundamentalmente,a 
fisiologia do agente do bioprocesso. Com base nestas informações, considere as 
alternativas a seguir e indique a única incorreta. 
(A) A batelada alimentada visa contornar os clássicos fenômenos de inibição por 
substrato, resultando em um aumento nos níveis de produção de substâncias produzidas 
por fermentação. 
(B) A batelada simples caracteriza-se pela manutenção das condições ambientais 
durante o curso de um bioprocesso. As concentrações dos componentes do meio, no 
estado estacionário, permanecem constantes. 
(C) Em uma operação de um processo contínuo em um biorreator de mistura completa 
sem reciclo celular, no estado estacionário, as condições ambientais permanecem 
constantes. 
(D) Em um cultivo contínuo com reciclo celular em estado permanente, um aumento 
da vazão de alimentação levará o cultivo a um estado transiente, antes que um novo 
estado permanente seja atingido. 
(E) Em um cultivo contínuo sem reciclo celular em estado permanente, uma 
diminuição da vazão de alimentação levará o cultivo a um estado transiente, antes que 
um novo estado permanente seja atingido. 
 
 
9) Balanço de massa de células no cultivo 
A partir do balanço de massa de células nos cultivos fed-batch e contínuo é obtida a 
mesma equação dX/dt = (µ - D).X. Porém, para chegar a essa equação nos 2 cultivos 
são aplicados raciocínios matemáticos diferentes. Nesse sentido, desenvolva 
matematicamente os cálculos para o processo fed-batch e contínuo partindo da equação 
abaixo: 
Variação de massa celular = (Massa celular que entra - Massa celular que sai) + 
(Massa celular que é produzida) - (Massa celular que é consumida/morta) 
Fed-batch Contínuo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Final da equação: dX/dt = (µ - D).X