Scale up de bioprocessos

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Scale-up de bioprocessos
Scale-up
Scale-down
Scale-up
Definições de Scale-up (aumento de escala/extrapolação de 
processos):
“Dimensionamento, montagem e operação de uma unidade unitária de volume comercial com base na
experiência adquirida com o desempenho de uma unidade numa escala menor de operação.”
“Estudo dos problemas associados com a extrapolação de dados experimentais obtidos num
equipamento laboratorial ou piloto para um equipamento à escala industrial.”
"Processo que consiste na operação a escala industrial de uma unidade de biorreação a partir de
conversões graduais a partir de estudos à escala laboratorial.”
Definição de Scale-up de Bioprocessos:
Adaptação de métodos biotecnológicos de produção desenvolvidos a
nível laboratorial para aplicação a grande escala ou escala industrial
Objetivos:
 Obtenção do melhor biocatalisador
 Criar o melhor ambiente para o processo
 Garantir a distribuição mais homogénea dos nutrientes
 Purificar o produto da forma mais económica
Investigação e desenvolvimento para a produção de um determinado
composto com interesse comercial:
Isolamento do microrganismo que o produz 
Produção em larga escala
Étapas de um bioprocesso
Reator
Microrganismo
Preparação do 
inóculo
Nutrientes
Preparação do meio
Esterilização do meio
Controlo
Esterilização 
do ar
Recuperação do 
produtoAr
Tratamento de 
efluentes
Produto
Resíduo
Scale-up?
Étapas de um bioprocesso
Scale-up?
Um reator 
típico de 
100m3
Como chegar aqui?
Acessórios para 
um bioprocesso 
num 
reator de 100m3
Como chegar aqui?
Várias 
configurações 
possíveis
Como chegar aqui?
Scaling up vs. Numbering up
Numbering up Scaling up
Uma alternativa ao aumento de escala é o aumento do número de reatores até 
atingir o volume total pretendido mas será viável?
Numbering-up
• Baseia-se na natureza:
UnicelularMulticelular 
Folhas  Árvore Floresta
• Vantagens: Não tem os problemas do 
Scale-up como consumo de energia ou 
de transferência de massa
• Desvantagens
 Controlo de todas as unidades
 Reprodutibilidade
 Espaço ocupado
 Custo
O Scale-up é um fator crucial para o sucesso comercial
Ex.:
Penicilina (recordar Introdução): 
 Processo desenvolvido no Reino Unido
 Scale-up nos EUA 
 Sucesso comercial nos EUA
Xarope de frutose a partir do milho 
 Processo desenvolvido nos EUA 
 Scale-up na Dinamarca 
 Sucesso comercial na Dinamarca
Três mitos quando se pensa em Scale-up:
 É apenas um aumento de tamanho
 A tecnologia já está desenvolvida
 É um processo rápido
Questões que surgem quando se pensa em Scale-up:
 Que parâmetros podem ser mantidos e quais devem ser mudados?
 Como é que a mudança de parâmetros afeta o processo?
Fisiologia dos microrganismos?
Produtividade do processo?
Qualidade do produto?
Particularidades do Scale-up de bioprocessos:
 O problema dos bioprocessos é a diversidade de reações que um 
mesmo microrganismo pode apresentar às mudanças de variáveis do 
processo com fontes de carbono diferentes ou condições operacionais 
diferentes (pH, concentração de O2, etc).
 Duas espécies distintas podem reagir de forma diferente ao mesmo 
processo.
 Necessária uma avaliação muito mais detalhada do processo de Scale-
up.
Alterações durante o Scale-up:
 A quantidade de nutrientes necessária (não só devido ao maior 
volume mas também devido a uma concentração de biomassa mais 
elevada);
 O tempo de processo (no reator mas também para a obtenção do 
inóculo, para preparação do reator);
 A preparação do reator (a começar pela construção até ao controlo 
passando pela esterilização, entre outras situações);
 Alimentação do reator e despejo do reator (volumes maiores).
Etapas de Scale-up:
1) Cultura em pequena escala:
 realizada em balões com menos de 1 L de capacidade, em incubadores
com controlo de temperatura e velocidade de agitação;
meios e as condições de crescimento do microrganismo são
determinados e otimizados, bem como outros parâmetros que conduzem à
maior produtividade no produto pretendido.
2) Cultura em escala laboratorial:
 realizada em reator de 1 a 5 L, equipado com instrumentos de
monitorização e controlo de temperatura, pH, oxigénio dissolvido,
velocidade de agitação, espuma;
 apesar de não existirem diferenças significativas de volume a passagem
do “erlenmeyer no incubador” para o reator implica alterações
significativas ao nível da agitação e do controlo dos parâmetros
operacionais.
3) Cultura em escala piloto:
 efetuada em reatores de 50 a 1000 L, com geometria semelhante à
que conduziu a melhores resultados em escala laboratorial
 os coeficientes de transferência de massa e de calor, o tempo de
residência, a taxa de consumo de oxigénio, o potência de agitação e
outros parâmetros do sistema deverão ser calculados por forma a
caracterizar o sistema e a possibilitar o seu estudo económico e futura
aplicabilidade
4) Cultura em escala industrial:
 realizada em reatores cujo volume varia com o tipo de produto
(podendo ultrapassar 1000 m3 mas podem ser tão pequenos como
reatores de 10 L…);
 reatores requerem uma série de serviços auxiliares que têm de ser
desenhados e testado em simultâneo:
 compressores de ar, geradores de vapor e equipamento de
esterilização
 redes de monitorização e controlo
Quanto maior a escala, maior é,
normalmente, o afastamento do reator
em relação ao comportamento ideal.
O desempenho de um reator depende de
 parâmetros intrínsecos ao processo (que são independentes da escala):
 coeficientes estequiométricos,
 constantes cinéticas e termodinâmicas
 parâmetros de transporte (dependem fortemente da escala)
relacionados com
 hidrodinâmica
 propriedades de transferência de massa e de calor
Dificuldades no scale-up de bioprocessos:
 As mudanças não são diretas.
 Não consiste no aumento do número de pequenas unidades em funcionamento.
 Os modelos existentes não se aplicam a diferentes processos.
 Os processos são afetados por mudanças drásticas nos tempos de resposta
 Alguns fenómenos de superfície não são considerados (comportamento dos 
microrganismos).
 Mudanças no regime hidrodinâmico (agitação relaciona-se com a circulação de 
correntes no reator).
 Dificuldades no estudo de transferência de massa e de calor
 Arejamento e agitação.
Problemas relacionados com o aumento de escala em bioprocessos:
problemas na obtenção de uma mistura perfeita
formação de gradientes de velocidades e de concentração de nutrientes e de
produtos
micro-ambientes dentro do vaso
problemas ao nível do metabolismo e da viabilidade celular
diminuição dos rendimentos e da produtividade
ativação de vias metabólicas secundárias (por insuficiência ou excesso de
substratos)
Problemas relacionados com o aumento de escala em bioprocessos:
formação de produtos secundários
dificuldades na separação e isolamento do produto pretendido
maior probabilidade de mutação da cultura
maior probabilidade de contaminação
utilização de nutrientes com pureza industrial ou menor
maior tempo de esterilização pode introduzir maior degradação dos nutrientes
Arejamento e agitação: os “maus da fita” só a grande escala?
Dificuldades em Scale-up em determinadas situações:
Processos aeróbios (em comparação com os anaeróbios)
Reatores contínuos e com alimentação escalonada (em comparação
com os descontínuos)
 Distribuição da solução de alimentação
 Distribuição da corrente de entrada
Aumento de escala significa aumento de:
 Volume do reator
 Concentração celular 
A produtividade do reator depende de vários factores:
 capacidade de arrefecimento 
 taxa de transferência de oxigénio  passo limitante  depende do 
coeficiente de transferência de massa, dimensão do reator e dos sistemas 
de arejamento e agitação 
Conceito importante para se aumentar a escala de um processo  princípio da
similaridade  três tipos:
Geométrica: quando entre umsistema a pequena e um a grande escala, as razões
entre as dimensões lineares forem idênticas
Cinemática: além da geometria, a razão de velocidades entre dois pontos
correspondentes nos dois sistemas for igual
Dinâmica: além de verificar a anterior, a razão de forças entre os dois pontos for
igual
Duas formas de obter critérios de similaridade:
Quando as equações que representam o comportamento do sistema são conhecidas e
podem ser transformadas em equações adimensionais;
Quando as equações que representam o sistema não são conhecidas, os critérios podem
ser determinados por meio de análise dimensional.
Ambos os métodos originam sistemas de equações adimensionais, que incorporam 
números adimensionais, por exemplo:
 número de Reynolds (Re)
 número de Sherwood (Sh)
 número de Schmidt (Sc) 
Conhecimentos necessários para o aumento de escala:
 princípios de engenharia
 conhecimentos de fisiologia microbiana
 aplicação de processos previamente desenvolvidos
Sucesso do aumento de escala  depende do grau de semelhança entre as 
diferentes escalas
Quanto maior for o número de características que se mantêm entre as 
várias escalas, maior a correlação entre os resultados esperados e obtidos
 Parâmetro que normalmente se utiliza: razão altura diâmetro (H:D)
 Um reator normalmente tem uma H:D entre 2:1 e 3:1.
 Aumentando a escala mantendo a razão constante, a razão área 
superficial/volume diminui rapidamente e, consequentemente: 
 As trocas de calor com o exterior mudam.
 As necessidades de fornecimento e retirada de gás aumentam drasticamente.
 A maior parte dos parâmetros são afetados de forma não linear mesmo mantendo 
a linearidade na razão H:D
Similaridade geométrica
Similaridade geométrica – uma analogia
Problema:
Um carpinteiro recebeu uma encomenda para fazer uma caixa 4 vezes
maior que uma caixa de madeira de forma cúbica com 25 cm de aresta.
Calcular as dimensões, a área superficial e o volume da nova caixa. Indicar
o resultado para todas as soluções possíveis.
Similaridade geométrica – uma analogia
A primeira questão que surge é: O que é um cubo 4 vezes maior?
1) Arestas 4 vezes maiores?
2) Volume (V = L3) 4 vezes maior?
3) Área superficial (S = 6L2) 4 vezes maior?
A última hipótese é a menos provável mas pode surgir caso se pretenda controlar a
quantidade de material a utilizar… e nos bioprocessos já se percebeu que a área superficial é
uma característica importante…
A segunda questão é: o resultado final é o mesmo?
Similaridade geométrica – uma analogia
 Características da caixa original: 
 Caixa “4 vezes maior”:
1) Arestas 4 vezes maiores? 
Similaridade geométrica – uma analogia
 Características da caixa original: 
 Caixa “4 vezes maior”:
2) Volume 4 vezes maior? 
 ⁄
⁄
Similaridade geométrica – uma analogia
 Características da caixa original: 
 Caixa “4 vezes maior”:
3) Área superficial 4 vezes maior? 
,
 ⁄
⁄
Similaridade geométrica – uma analogia
Resumindo o problema do “cubo 4 vezes maior”:
 Apesar de um aumento linear num dos parâmetros, nos restantes a variação 
nunca é linear
 É necessário definir claramente o critério aplicado e qual o parâmetro escolhido
⁄⁄
⁄⁄
Limitações do Scale-up
 Não é um processo simples
 Não existem dados e correlações para o Scale-up
 Pessoas diferentes utilizam critérios diferentes
Muito poucos dados publicados 
 Praticamente todos os processos de Scale-up de sucesso na área de bioprocessos 
são confidenciais
Critérios para Scale-up
Mas alguns critérios podem ser utilizados como ponto de partida:
A) Mesmo tipo de cultura ou condições de processo:
 Aeróbio vs. Anaeróbio
 Bactérias/leveduras/fungos filamentosos/tecidos animais/tecidos 
vegetais
 Exotérmico vs. Endotérmico
 Relação da cultura com as condições (temperatura, pH, salinidade)
 Viscosidade do meio
 Fluido newtoniano ou não
Critérios para Scale-up
Mas alguns critérios podem ser seguidos:
B) Quando a variável a maximizar é a mesma:
 Rendimento do produto ou da biomassa
 Concentração de células
 Concentração de produto
 Produtividade volumétrica
 Produtividade específica
Critérios para Scale-up
 O critério a seguir depende do tipo de processo, de catalisador e do objetivo 
pretendido;
 Começa-se sempre pela similaridade geométrica (mais simples);
 Se não funcionar escolher outros critérios que tornam o processo mais complexo:
 Coeficiente de transferência de massa de oxigénio (em sistemas aeróbios muito 
dependentes do oxigénio)
 Potência de agitação necessária por volume de líquido
 Velocidade de agitação (quando as células são sensíveis à agitação)
 Número de Reynolds do agitador (quando a transferência de calor é crítica)
Scale-down em bioprocessos:
Situações em que é necessária a redução de escala
Replicar numa escala mais pequena as condições de um sistema que funciona a
escala maior
Permite uma avaliação de parâmetros mais rápida e com menor custo (métodos
de análise  menos reagentes utilizados  mais amostras processadas 
menores custos).
Cálculos e metodologia utilizados semelhantes ao Scale-up.
Scale-down em bioprocessos:
Situações em que é necessária a redução de escala
Investigar à escala laboratorial determinados aspetos relativos ao desempenho
de um reator que já opera à escala piloto ou industrial  sistema em escala
reduzida que mimetize as condições de processo no reator de produção,
geralmente através da manutenção dos tempos de residência.
Realizar estudos preliminares referentes ao desenvolvimento de novos
processos ou otimização de um processo já existente Normalmente pretende-se
vários reatores de muito baixa escala de modo a testar em simultâneo o maior
número possível de condições de processo.