Aula 4 - Eng BioQuimica B

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Formas de Condução do Processo Fermentativo
Aula 4
Referências: Livro: Biotecnologia Industrial Walter Borzani.
 Vol 2 – Cap 8, 9, 10, 12, 13 e 14.
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Processos Fermentativos
 Podem ser classificados quanto:
Modo de condução;
Forma de desenvolvimento do agente;
Suprimento de Oxigênio;
Quanto à forma de Fermentação do meio;
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Quanto ao modo de condução:
	I) Batelada ou Descontínuo
	II) Batelada Alimentada ou Semi-Descontínuo
	III) Contínuo
BATELADA OU DESCONTÍNUO
São processos pelo qual o mosto, esterelizado previamente, ou não, é colocado na dorna de fermentação, o agente é inoculado e, após a fermentação, o mosto é descarregado para separação/purificação do produto.
Para uma nova fermentação, repete-se todas as etapas, desde de o preparo do inóculo. Um processo de regime de bateladas pode ser conduzido de três formas:
Convencional;
Por Cortes:
Com recuperação do Inóculo
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Quanto ao modo de condução:
I.a. Batelada Convencional
Batelada Convencional/Descontínuo
O mosto é colocado na dorna, esterelizado e posteriormente recebe o inóculo requerido. Após a fermentação, efetuada em tempo adequado, o processo é interrompido e o produto, subproduto e resíduos separados.
É a forma mais antiga e que apresenta menor risco de contaminação, porém é um processo caro, o que faz com que seja usado somente para produtos nobres como vitaminas, esteróides, antibióticos e enzimas.
A cada nova fermentação é necessário que todas as etapas sejam repetidas;
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Quanto ao modo de condução: I.a. Batelada Convencional
Fase boa para interromper. 
A fase estacionária é causada pela baixa concentração de nutrientes, mudança no pH, acúmulo de toxinas ou problemas de oxigenação
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Prepara-se o inóculo para a 1ª dorna;
Após determinado tempo, transfere-se parte do mosto (já fermentado) para uma 2ª dorna, completando-se o 
 volume de ambas com mosto estéril, e assim sucessivamente.
Ou seja, utiliza-se apenas 
um inóculo para uma série de 
dornas. Reduzindo o custo do
 processo.
Quanto ao modo de condução:
 I.b. Batelada por CORTES
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Os cortes pode sem feitos:
Na fase de crescimento mais intensa, quando se deseja propagar o inóculo;
Após o término do processo fermentativo;
O número de cortes não é ilimitado, e este número é limitado pelo controle do rendimento das fermentações sucessivas. 
Fatores que desencadeiam a necessidade de nova inoculação:
Rendimento;
Degeneração do agente;
Qualidade do produto;
Economia nos custos de preparo;
Quanto ao modo de condução I.b. Batelada por CORTES
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Caracterizado pelo fato de que, apenas na partida da planta haverá necessidade de se preparar um inóculo para da cada biorreator;
Após a fermentação, o mosto é levado para a seção de separação e de recuperação do produto (SRP);
Etapas: Centrifugação/Filtração/Decantação),
As células são separadas, tratadas e reativadas, sendo utilizadas como inóculo para outra fermentação  obtém-se um concentrado de suspensão de microorganimos.
Quanto ao modo de condução
I.c. Processo descontínuo com recirculação de células (Recuperação do Inóculo)
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I.c. Processo descontínuo com recirculação de células (Recuperação do Inóculo)
O tratamento visa a eliminação de células inativas e microorganimos contaminantes;
Tratamento com H2SO4 (pH=2,5%); 
Tempo: 2-3 horas;
A suspensão tratada é então reciclada para a dorna de fermentação;
As células recuperadas não são indefinidamente utilizada, pois sofrem degeneração e contaminação após vários reciclos;
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I.C Processo descontínuo com recirculação de células (Recuperação do Inóculo)
Na indústria alcooleira – 5 a 9 recuperações;
Há uma economia de cerca de 30% de matéria prima para produzir o mesmo álcool que o processo de batelada convencional;
SRP, Setor de
Recuperação
de Produto
Ex: Processo Melle-Boinot para produção de etanol
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Quanto a forma de condução:
II.a Regime de Batelada Alimentada ou
Semi-Contínuo
Na batelada alimentada, uma corrente de alimentação é adicionada ao biorreator, sem que efluente e célula sejam removidas do sistema;
O substrato é alimentado constantemente, durante o processo fermentativo, de forma a manter a concentração constante, ou aproximadamente constante;
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Indicado quando algum componente do meio de cultivo provoca inibição se estiver em alta concentração(efeito “crabtree”).
Inibição pelo substrato: produção de vinagre pelo etanol;
Inibição pelo meio: produção de ácido acético.
 resultando em altas produtividades, geralmente muito maiores que o obtido na batelada simples.
Este procedimento é possível de se repetir durante meses consecutivos, antes que o rendimento diminua a ponto de necessitar de interrupção, reiniciando-se o processo de fermentação com o inóculo recém preparado.
Muito usado em processos biossíntético onde o interesse é a produção de biomassa. 
Ex: antibióticos.
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Quanto a forma de condução:
II.a Regime de batelada alimentada ou
Semi-Contínuo
No processo batelada alimentado um ou mais nutrientes são adicionados ao fermentador durante o cultivo;
A alimentação pode ocorrer continuamente ou em pulsos;
Maior risco de contaminação;
Maior necessidade de controle do processo (adição de nutrientes);
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Quanto a forma de condução:
III. Regime Contínuo
São caracterizados pela continuidade operacional do biorreator, ou seja, uma vez dada a partida, o biorreator opera ininterruptamente durante períodos longos de operação;
Processo contínuo sempre começa com uma batelada.
Característica importante: uniformidade  após a partida o processo atinge o estado estacionário;
O substrato é adicionado continuamente de modo que a sua concentração fique constante. Ao mesmo tempo retira-se o mosto fermentado na mesma vazão.
Normalmente, a 2/3 da fase exponencial de crescimento, tem início o processo contínuo.
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Quanto a forma de condução:
III.a Regime Contínuo – Única Dorna
Nestes processos o substrato não é totalmente esgotado, saindo um pouco no produto.
Altas vazões provocam baixos tempos de residência na dorna, o que provoca um empobrecimento em número de células (“wash out”) além de altas concentrações de substrato na saída.
Vazões baixas reduzem a concentração de substrato no reator, podendo provocar autólise das células e/ou diauxia;
Tipo de reator mais comum 
 CSTR (“Continuous Stirred Tank Reactor”), 
CSTF (“Continuous Stirred Tank Fermenter”), 
CSTB (“Continuous Stirred Tank Bioreactor”), 
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Empregado quando a matéria prima usada no processo é cara e, é necessário que o mosto deixe a dorna com o mínimo de substrato não fermentado.
Se a redução de vazão não for suficiente  utiliza-se mais de uma dorna em série.
. Neste caso, o fermentado (vinho) passa a ser a alimentação de uma nova dorna.
Os processos de fermentação conduzidos em regime contínuo, podem ainda ser conduzidos com ou sem recuperação do inóculo.
Quanto a forma de condução:
III.b Regime Contínuo – Mais de uma dorna
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Comparação processo 
Contínuo x Batelada
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 Quanto ao desenvolvimento do agente microbiano:
 a) Processos em Superfície
 b) Processos em profundidade
Processo em Superfície
Aplica-se para microorganismos aeróbicos estritos como bolores e algumas bactérias
O agente se desenvolve na superfície do meio de cultura
O tempo de fermentação é muito grande, devido a necessidade de difusão dos nutrientes do meio para a superfície.
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O agente se desenvolve na seio do mosto agitado;
Devido ao maior contato mosto-microorganimos são maiores as taxas de transferências de massa, de nutrientes e de O2 (se necessário), acarretando menores tempos de fermentação;
Os processo cujos agentes são anaeróbicos estritos, facultativos são necessariamente conduzidos em profundidade;
 Quanto ao desenvolvimento do agente microbiano:
 b) Processos em profundidade 			 (submerso)
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Processos Aerados
Usado para agentes aeróbios estritos
Ex: Produção de ácido cítrico, vitamina B12;
Tipos de Aeração:
Natural: O mosto é exposto ao ar ambiente, como no caso da fermentação cítrica em bandejas;
Forçada: O ar é introduzido na dorna, sob pressão, borbulhando na massa líquida, onde o O2 se dissolve, para ser posteriormente utilizado pelo agente de fermentação;
Ex: processos submerso para produção de penicilina, ácido cítrico e levedo prensado.
 Quanto ao suprimento de oxigênio
		 a) Processos Aerados
		 b) Processos Não Aerados
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Aplica-se em agentes que desenvolvem metabolismo anaeróbico, onde o aceptor de H+ não é o O2 do ar atmosférico e sim outras substâncias como os nitratos e aldeídos.
Ex: Produção de solventes orgânicos por Clostridium (anaeróbico restrito) e de etanol por Saccharomyces (anaeróbico facultativo).
 Quanto ao suprimento de oxigênio
		b) Processos Não Aerados
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AERACAO EM BIOPROCESSOS