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Escalonamento de Processos Fermentativos Talita Carmo Dicionário: - Escalonamento: (s.m.) ato ou efeito de escalonar (subir por degraus ou etapas). O desenvolvimento tradicional de processos fermentativos é usualmente executado em três estágios ou escalas: escala de bancada, escala piloto e escala industrial. Figura 1: Escalas de trabalho no desenvolvimento de processos fermentativos. 4 ESCALONAMENTO x1 x10 x100 Aeração A g i t a ç ã o formação de espuma mistura ineficiente inibição por CO2 Só isso?? 5 PREVISÍVEIS � Mistura; � Transferência de oxigênio; � Transferência de calor; � Demanda de energia; � Agitação. � Qualidade do produtos e.x: degradação; � Espuma; � Formação de co- produto. Principais problemas durante o escalonamento NÃO PREVISÍVEIS Scale up é uma etapa crucial do processo de inovação. É a fase em que os experimentos que foram realizados em laboratórios são avaliados para produção em escala industrial. Por vezes, o aumento de escala entre a fase laboratorial e a industrial pode representar aumento de 10 mil vezes, ocasionando riscos associados ao projeto, tecnológicos e/ou ligados ao projeto dos equipamentos. Scale down – quando se necessita elaborar ensaios em pequena escala. No caso do segmento brasileiro de biotecnologia – em que mais de 70% das empresas são pequenas e médias – a fase de escalonamento acaba sendo um gargalo para que os avanços do conhecimento acumulados pelos pesquisadores brasileiros possam sair do papel e do laboratório e chegar aos mercados nacional e internacional, ou seja, para que o conhecimento tecnológico se torne efetivamente uma inovação tecnológica. Mais importante ainda, sob o ponto de vista geral, é a impossibilidade de se reproduzir em escala ampliada, exatamente as mesmas condições físicas definidas na escala menor. Ampliação de escala Questionamento: Porque não é possível simplesmente construir um fermentador de tamanho industrial, geometricamente similar, e usar as mesmas condições de fermentação empregadas no reator menor? Três tipos de fenômenos estão envolvidos nesta questão: 1. Fenômeno Termodinâmico (p.ex. solubilidade do oxigênio no meio) 2. Fenômeno Cinético (p. ex. crescimento e formação de produto pelo m.o. em função das condições locais) 3. Fenômeno de Transporte (p. ex. concentração de oxigênio real e comportamento cinético do m.o. no reator) Os dois primeiros são independentes da escala, porém o terceiro é muito dependente desta. Por sua vez, os processos de transporte são governados por dois tipos de mecanismos: Convecção e condução, que determinam, principalmente, a mistura e as transferências de massa e calor. Os problemas relacionados com a ampliação de escala advêm do fato que os tempos necessários para estes mecanismos ocorrerem satisfatoriamente aumentam com o aumento do tamanho do biorreator. 1) Escala de bancada: - Maior flexibilidade e menor custo de operação. - Dados básicos sobre o processo devem ser levantados dentro do maior nível de detalhes possível. - Seleção do microrganismo e o desenvolvimento do meio de cultura ideal, escolha das condições de temperatura e pH para o processo, assim como a forma de operação do reator. 2) Escala piloto: - Operação mais onerosa: deve-se manter constante grande parte das possíveis variáveis. - Escolha de um determinado critério de ampliação de escala. A operação de uma escala piloto objetiva especialmente o teste do critério de ampliação de escala e não o estudo da influência de fatores (pH, temperatura, composição do meio). Sabe-se porém, que ao ampliar a escala de trabalho vai-se deixando a condição do reator homogêneo. 3) Escala industrial: - Visa o lado econômico do processo, ou seja, a produção em alta escala. - Procura-se operar o fermentador sob condições similares às ajustadas na escala piloto, as quais permitiram a obtenção de um desempenho adequado ao processo. o kLa; o P/V; o Velocidade na extremidade do impelidor; o Concentração de oxigênio dissolvido; o Tempo de mistura. 15 Critérios para Ampliação de Escala Critérios para ampliação de escala: Mantendo-se a semelhança geométrica na escala maior, selecionar o critério e, a partir daí, encontrar as novas condições de operação na nova escala que, supostamente reproduziriam as condições encontradas na escala menor. * Problema – variação de escala Figura 2: Princípio da ampliação de escala e a seleção do valor do critério que maximiza o desempenho do processo. Critérios: - Constância de potência no sistema não aerado por unidade de volume de meio (P/V); - Constância do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) - Constância da velocidade na extremidade do impelidor (vtip) - Constância no tempo de mistura (tm) - Constância da capacidade de bombeamento do impelidor (FL/V) - Constância do número de Reynolds (NRe) - Constância da pressão parcial ou concentração de oxigênio dissolvido. A) Constância da potência por unidade de volume de meio (P/V) - Produção de álcool e de ácidos orgânicos B) Constância do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) Em bioprocessos que envolvem alta demanda de oxigênio, como os de produção de antibióticos e fármacos em geral, o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) mostra-se como critério ideal para ampliação de escala. Figura 3: Ampliação de escala de um processo de produção de vitamina B12. C) Constância da velocidade na extremidade do impelidor (vtip) Relaciona-se com a frequência de rotação (N) e com o diâmetro do impelidor (Di). - Determina a velocidade de cisalhamento máxima (ϒmáx). vtip entre 250-500 cm/s. D) Constância do tempo de mistura (tm) Tempo de mistura: período de tempo necessário para a completa homogeneização de um fluido agitado, quando é adicionada uma pequena quantidade de um fluido distinto. E) Constância da capacidade de bombeamento do impelidor (Fl/V) A capacidade de bombeamento (FL/V), dada pela relação entre a vazão de circulação do fluido no interior do tanque (FL) e o volume do líquido (V), expressa este tempo de circulação (Tc=1/FL). Seria como se as pás do impelidor funcionassem como pás de uma bomba centrífuga, impondo ao fluido uma determinada quantidade de movimento. F) Constância do número de Reynolds (NRe) Diretamente ligada ao grau de agitação ou de mistura no interior de tanques agitados. G) Critérios ou regras de “aeração” - Número de aeração (NA) constante - Velocidade superficial de ar (Vs) constante - Vazão específica de ar (ɸar) constante Redução de escala � Para incorporação de novos conceitos ao processo em operação; � Introdução de uma nova linhagem de microrganismo responsável pelo processo fermentativo; � Ensaios de novos lotes de matéria-prima. Considerações � Para kLa e vtip, praticamente não há diferença da agitação, e os valores são perfeitamente viáveis operacionalmente. � Para tempo de mistura e capacidade de bombeamento, os valores de agitação são absurdos. É preciso cuidado, pois, quando se emprega um critério para ampliação de escala, mantendo-se a semelhança geométrica, outras variáveis do processo variam, podendo inviabilizar o processo na escala maior (tanto em termos operacionais como em termos da atividade do biocatalizador). Comparação entre critérios para a ampliação de escala. Tabela 1: Variação da frequência de rotação (N) numa ampliação de escala. (V1= 10L – V2= 5000L). Escala de bancada: 700rpm e 0,3 vvm. Escalonamento: Análises estabelecidas: - Glutamina (adaptado) - Glicose (LabTest) - Uréia (Labtest) - Lactato (LabTest)Suspensão Células aderidas a microcarreadores 1) Cultivo em garrafas 2) Spinners 3) Wave
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