Aula 8 Escalonamento de Processos Fermentativos

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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