Aula 5 - Eng BioQuimica B

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Equipamentos para a Indústria de Fermentação
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Aeração de Meios
							Aula 5
Livro: Vol 2 - Caps: 19 e 20.
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						Introdução
Os equipamentos utilizados na indústria fermentativa são basicamente os mesmos da indústria química convencional;
Devem, entretanto, ser de fácil limpeza e esterilização e construídos com materiais que não interfiram no metabolismo do microorganimos, pois isso pode levar à formação de subprodutos indesejáveis e até mesmo a interromper o processo
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		 Tipos de Equipamentos:
PRINCIPAIS - são aqueles ligados ao desenvolvimento do agente e à reação de fermentação propriamente dita. Ou seja, são os propagadores e fermentadores.
ACESSÓRIOS - são os que estão diretamente ligados aos equipamentos principais, como agitadores, filtros de ar, compressores, controladores, etc.
AUXILIARES - são aqueles relacionados à separação e purificação do produto. Aí incluem-se centrífugas, filtros-prensa, colunas de destilação, extratores, evaporadores, sistemas com membranas, etc.
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		Equipamentos Principais:
Propagadores são pequenos fermentadores utilizados para o crescimento dos microorganimos.
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		 Equipamentos Principais:
Os fermentadores mais comuns são tanques cilíndricos verticais munidos de aparatos que permitam dar condições adequadas de crescimento ao microorganimos e monitorar a formação do produto como, por exemplo:
sistema de agitação mecãnica, 
aeração (processo aeróbico), 
registrador de temperatura 
Registrador de pH
Serpentina
Entrada para adição de inóculo e/ou outros químicos
Podem ter capacidade variando entre 15 a 150 m3 e volume entre 30 a 80% da capacidade total.
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 Características Básica de Biorreatores
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Reatores em escala semi-piloto e piloto
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	Fermentador em Escala Industrial 
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 Tipos de Reatores
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			Tipos de Biorreatores
Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
a)Células/Enzimas
Reatores agitados mecanicamente (SRT – “stirred tank reactor”).
O agitador é montado no eixo central do fermentador possuindo, ao longo de sua altura, uma série de turbinas .
	
Hélice marinha
Hélice com fluxo duplo
Hélice com grandes pás
Agitador com fita helicóide
Funções da agitação:
» Homogeneizar o Meio;
» Dispersar os gases no Líquido (diminuir o tamanho das bolhas e melhorar a transferência de oxigênio).
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		 Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
Reatores agitados pneumaticamente
Se caracterizam pela ausência de agitador mecânico, sendo a agitação do líquido efetuada apenas pelo borbulhamento de uma gás (geralmente ar).
Coluna de bolhas 
Reatores “air-lift”
	
 Apresentam menor tensão de cisalhamento, o que torna atraente para o cultivo de células animais e vegetais.
 A diferença básica entre o reator coluna de bolas e Air-Lift, é que este último tem movimentação cíclica do líquido (bem ordenado) e o primeiro apresenta movimentação aleatória.
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Reatores de Fluxo pistonado (“plug flow”)
Fermentação Submersa
O inóculo e meio de cultura são misturados na entrada do sistema, sem que ocorra mistura longitudinal. Ocorre concentração de nutrientes e das células ao longo do comprimento do reator. 
 Há portanto uma variação da concentração de nutrientes, células e produto ao longo do comprimento do reator.
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			Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
b)Células/Enzimas imobilizadas em suportes:
O biocatalisador encontra-se imobilizado em um suporte inerte.
A grande vantagem é a manutenção de elevadas concentrações  aumento da PRODUTIVIDADE
Dependendo da movimentação das partículas, podemos ter:
Reatores com leito fixo:
A movimentação é praticamente inexistente
Reatores com leito fluidizado:
Há movimentação intensa de partículas
A fluidização pode ser feita por injeção de ar, gás inerte ou pela recirculação do líquido no reator
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c)Células/Enzimas imobilizadas em suportes:
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d) Células/Enzimas confinadas em membranas
Células confinadas entre membranas semipermeáveis, as quais permitem o fluxo de líquido mas não de células. Ocorre a passagem dos nutrientes e produtos através da membrana;
Ocorre a separação entre fluxos de nutrientes e produtos metabólicos. 
Reatores com membranas planas
Reatores de Fibra Oca
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				 Tipos de Reatores
Reatores em fase Não Aquosa (Fermentação Semi-Sólida)
Reatores Estáticos (reatores com bandejas);
Reatores com agitação (tambor rotativo);
Reatores com leito fixo;
Reatores com leito fluidizado Gás-Sólido;
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		 Equipamentos Acessórios
a) Agitador Mecânico – tem a função de manter a uniformidade do meio, facilitando a transferência de massa entre os microorganismos e o meio.
Ex: pá, turbina
b) Distribuidor - serve para distribuir o ar alimentado na dorna, conseguindo uma maior área de contato gás/líquido
c) Chicanas – São placas defletoras, colocadas em número par em diversas alturas da dorna, diametralmente opostas, e servem para evitar a formação de vórtices
d) Serpentinas – servem para esterilização do meio ou do ar, para aquecimento ou resfriamento da dorna
e) Filtros esterilizantes de ar
f) Compressores de ar
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 Acessórios de Fermentadores
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 Chicanas:
Chicanas
Aumentam a turbulência e assim melhoram a oxigenação do meio
Chicanas afastadas da parede do reator evitam zonas de estagnação
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						Serpentinas:
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 Regras básicas para construção de 						fermentadores
1ª - não realizar conexões diretas entre as partes estéreis e não estéreis do sistema
2ª -Minimizar as conexões por flanges por ser um ponto vulnerável.
3ª -Usar componentes soldados e, sempre que possível polir as soldas interiores.
4ª -Evitar espaços mortos e reentrâncias (pontos de incrustação e, consequentemente, de contaminação.
5ª -Usar válvulas de fácil manutenção, limpeza e esterilização.
6ª- Todas as conexões devem ser seladas.
7ª- As peças devem poder sofrer esterilização independentemente
8ª - Manter a pressão positiva no fermentador, para garantir a saída do gás que não se solubiliza.
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Materiais usados nos fermentadores:
Todos os materiais em contato com as soluções, ou com a cultura do organismo devem ser resistentes à corrosão para prevenir a contaminação com traços de metais.
Os materiais precisam suportar repetidas esterilizações por vapor em alta pressão.
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 Materiais utilizados na Construção de 						Fermentadores
Vidro – Utilizado em pequena escala, laboratório.
Madeira – utilização quando as características organolépticas do produto são importantes. Tem vida útil muita curta.
Material polimérico: utilizado quando não é necessária a esterilização. Não tem grande resistência mecânica.
Aço-Carbono – já foi o mais utilizado, porém não apresenta boa resistência à corrosão, altas temperaturas e choques térmicos. 
Aço-Inoxidável – é mais resistente à corrosão que o aço carbono devido a presença dos elementos de liga.
Cobre – muito caro, sendo substituídos pelo aço inox.
Ligas de Ni - alto custo, utilizadas apenas em casos extremos, quando necessita-se de altas resistência.
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Custo Relativo de Metais e Ligas
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			Geometria do Biorreator
Geralmente cilíndrico. São construídos em dimensões padrão especificadas pela Internacional Standards Organisation and British Standards Institution
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			 Geometria Biorreator
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				Reator tipo Tanque
Exemplo: Tanque de 100.000L: produção de penicilina
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		 Equipamentos Auxiliares/ 				Etapas envolvidas
Operações Unitárias que sucedem o cultivo microbiano com a finalidade de recuperar o produto:
4 etapas principais:
Separação de células de seus fragmentos
do meio de cultivo – CLARIFICAÇÃO
Concentração/purificação de baixa resolução 
Separação do produto de interesse de outras moléculas com características bem diferentes;
Purificação de alta resolução
Moléculas parecidas devem ser separadas;
Operação de acondicionamento final do produto
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Centrífugas – sistemas que separam fases. 
Filtros – Prensa, rotativos à vácuo;
Clarificadores – adição de agentes clarificantes;
Concentradores – à vácuo, membranas (osmose reversa);
Destilação;
Secadores – à vácuo, por atomização (”spray-dryer”);
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Operações unitárias viáveis em escala de 				produção industrial
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						Centrífuga
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AERAÇÃO
Nos microorganimos de metabolismos aeróbio, o O2 é utilizado como aceptor final de e-, ao final da cadeia respiratória, sendo reduzido a água e a formação de moléculas transportadoras de ATP fonte energéticas das células.
EX. de processos conduzidos em AEROBIOSE:
Produção de antibióticos, ácido lático, acético, cítrico, enzimas, vitaminas, fermentos, vacinas.
Tratamento biológico e de águas residuais.
A síntese de ATP é oriunda da oxidação da matéria orgânica, que é bastante solúvel em água, assim como a maioria dos componentes de uma dado meio de cultivo.
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			Solubilidade do Oxigênio
É possível dissolver grandes quantidades de fontes de C, N,P entre ou nutrientes.
Entretanto, o O2 é pouco solúvel em água, tornando-se impossível fornecer de uma só vez todo o O2 necessário:
	Solubilidade do O2 em água: 7mg de O2/L – p=1atm e 35oC;
 O2 deve ser continuamente suprido ao fermentador;
Operação Unitária: Absorção de um gás (O2) por um líquido.
Algumas Observações:
Temp. mais baixa aumentam a sua solubilidade.
 Atmosfera rica em O2 aumenta a sua solubilidade.
Sólidos dissolvidos reduzem a solubilidade do O2.
A concentração de sólidos dissolvidos varia ao longo da fermentação.
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Sistemas de Transferência de Oxigênio
Aeração superficial;
Aeração em contrafluxo com o mosto- reator com células imobilizadas. Aeração serve também como agitador;
Air-lift (ar introduzido numa chaminé no interior do reator promove intensa agitação;
 e (5) Coluna de bolhas;
(6) Tanque agitado e aerado;
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Cálculo da Concentração de Saturação de O2.
A partir do conhecimento da composição química do meio:
 avaliação instantânea  trabalhoso e exige conhecimento detalhado da composição do meio;
Em se tratando de soluções diluída  LEI DE HENRY 
“concentração de O2 dissolvido no equilíbrio (saturação) é proporcional à pressão parcial de O2 no gás”.
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				 Lei de Henry
Para soluções bastante diluídas a equação de Henry pode ser aplicada:
Cs, concentração de O2 na saturação (gO2/m3).
H, constante de Henry (gO2/m3.atm).
Pg, pressão parcila de O2, na fase gasosa (atm) = XO2.P
XO2, fração molar ou volumétrica do O2 no gás.
P, pressão total do gás (atm).
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Mecanismos de Transferência de O2
O objetivo do sistema de agitação e aeração: 
transferir O2 (gasoso) para a fase líquida para manutenção de uma dada atividade respiratória de um conjunto de células.
 
Transf. de O2 da fase gasosa para a fase líquida
 Penetrar nas células O2 deve chegar
 e ser metabolizado as células
FORÇA MOTRIZ GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO
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Esquema das principais etapas da transferência de O2
Várias resistências associadas com essas etapas
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Resistências associadas a transferência de O2 
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R3 Transferência de O2 da fase gasosa para a fase líquida é controlada por 2 películas.
Teoria das 2 camadas estagnadas, a de gás e a de líquido, situadas em cada lado da interface gás-líquido
O2
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Kg, coef. de transferência de massa pela película gasosa (m/h)
KL, coef. de transferência de massa pela película líquida (m/h)
Fluxo de O2 (gO2/m2.h)
Como não há condições de se conhecer dados relativos a 
 interface gás-liquido trabalhar com o coeficiente global 
 de transf de O2  soma das 2 resistências. 
		 Teoria das duas Películas
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					 continuando
Kg ~ 0
Pg = Pi  Ci = Cs
KL.a , Coef. Volumétrico de transferência de O2.
Propostas possíveis para aumentar a transferência de O2:
CO2 no gás de entrada. ( pg = P.X02)
P na cabeça do fermentador
Frequência de agitação. a, KL
Vazão de aeração
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					Balanço Gasoso
Balanço para O2:
Qe
Qs
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			 Respiração Microbiana
Consumo de O2 dissolvido e disponível para a respiração;
Concentração Crítica de O2 -
Velocidade de consumo de oxigênio – dCO2/dt- (gO2/L.h)
Velocidade específica de respiração - Q02 -(gO2/gcel.h)
X, Conc. celular -(g cel/L)
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Velocidade de respiração para um microorganismos, pode ser descrita por:
 Ko, Constante de saturação para o O2
LEI DE MONOD