Biotecnologia Industrial - Vol 2 - Willibaldo Schmidell

Biotecnologia Industrial - Vol 2 - Willibaldo Schmidell


DisciplinaEngenharia Química693 materiais1.720 seguidores
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Blücher /Universi-
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122 Cinética de processos fennentativos 
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I -
7 .I - Introdução 
123 
Antonio Bonomi 
Willibaldo Schmidell 
Apesar de a engenharia bioquímica compreender diferentes tipos de proces-
sos, englobando transporte de calor e massa e recuperação de produtos, incluindo 
vários constituintes e fenômenos dominantes, _a pesquisa em modelagem matemá-
tica reportada na literatura técnica especializada refere-se basicamente às reações 
biológicas e, recentemente, às reações que ocorrem no interior das células. Dessa 
forma, a modelagem matemática de processos fermentativos pode ser definida 
como a tentativa de representar, através de equações matemáticas, os balanços de 
massa para cada componente no biorreator, associados às complexas transforma-
ções bioquímicas que ocorrem no processo e às velocidades com que essas trans-
formações se processam. Em razão da complexidade do processo real (que envolve 
leis físico-químicas, bioquímicas e genéticas), somadà às limitações matemáticas, os 
modelos são baseados, geralmente, na idealidade e, em geral, fornecem uma repre-
sentação fiel de apenas algumas das propriedades do processo.1 A formulação de 
um modelo matemático deve, segundo os autores, possuir um comprom~timento 
entre grau de complexidade razoável e solução (esforço computacional) economi-
camente desejável. Por sua vez, a simulação do processo corresponde à sua aná-
lise (por exemplo, s':la otimização) através da utilização do modelo matemático 
proposto. 
Do ponto de vista da engenharia bioquímica, o desenvolvimento da mo-
delagem matemática dos processos fermentativos permite atingir, entre ou-
tros, os seguintes objetivos: organizar informações desconexas a respeito dos 
fenômenos biológicos num conjunto coerente; pensar (e calcular) logicamente 
a respeito de quais componentes e interações são importantes num sistema 
complexo; descobrir novas estratégias para explicar b comportamento das cé-
lulas submetidas a determinados ambientes; corrigir falhas eventualmente 
124 Modelagem matemática e simulação de proc~ssos fermentativos 
existentes no entendimento convencionado de determinados fenômenos e, fi-
nalmente, entender as características qualitativamente essenciais de determi-
nados processos. 2 
O objetivo principal da modelagem matemática e simulação, como ferra-
menta do desenvolvimento tecnológico de processos fermentativos, é prever o 
comportamento dinâmico e estacionário do processo, inclusive em condições não 
testadas empiricamente, possibilitando a determinação das condições operacio-
nais economicamente ótimas do sistema, auxiliando no projeto e ajuste de algorit-
mos de controle, no qual o modelo matemático formulado passa a ser parte 
integrante do mesmo.3 
Os processos fermentativos incorporam uma série de características que os 
diferenciam dos processos químicos, o que pode explicar as dificuldades encontra-
das na formulação de modelos matemáticos que representem adequadamente es-
tes processos, ao contrário do que ocorre com os processos químicos 
convencionais. Entre essas características podem ser citadas as seguintes: baixas 
concentrações e baixas velocidades de reação, como resultado da utiliZação de um 
meio diluído; complexidade da mistura reagente e capacidade do sistema (células 
microbianas) de sintetizar seu próprio catalisador; conhecimento insuficiente de 
vários dos fenômenos limitantes das velocidades de produção e falta de sensores 
para automação on-line; problemas de esterilidade, segurança e eventualmente da 
toxicidade dos processos fermentativos. 4 
Neste capítulo serão apresentados os principais tipos de modelos empre-
gados para representar os processos fermentativos, destacat:tdo as estratégias 
empregadas na formulação dos modelos matemáticos conhecidos como feno-
menológicos, não estruturados, bem como as metodologias utilizadas no ajuste 
desses modelos a um conjunto de experimentos realizados . Posteriormente, se-
rão introduzidas e aplicadas técnicas estatísticas, que permitem discriminar di-
versos modelos ajustados, definindo sua validade. Finalmente, será discutida 
. . 
brevemente a utilização dos modelos matemáticos visando otimizar um proces-
so, através da definição de uma função objetivo e o emprego de diversas técni-
cas de otimização. 
~ 7.2 - Formulação dos modelos matemáticos de processos 
fermentativos · 
Inicialmente, deve-se reconhecer que, num processo fermentativo, estão en-
volvidos dois sistemas que interagem continuamente: a fase biológica (ou biótica) 
composta pela população microbiana ou pela cultura de células animais ou vege-