Aula 6 Modo de operação 2015

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M E L I S S A L I M O E I R O E S T R A D A G U T A R R A 
Modos de operação de 
biorreatores 
Topicos: 
 
1. Introdução 
2. Operação descontínua 
3. Operação descontínua alimentada 
4. Operação Contínua 
 
 
 
Principais tipos de biorreatores para fermentação 
submersa 
• Biorreatores convencionais 
– tanques agitados 
• Biorreatores não-convencionais 
– air-lift ou coluna de bolhas, biorreatores com 
células imobilizadas e de membranas 
Podem ser operados de muitas 
maneiras 
Principais tipos de biorreatores para fermentação no 
estado sólido 
– Tipo bandeja 
– Leito fixo 
– Tambor agitado 
– Leito agitado 
– Leito fluidizado 
Geralmente são operados 
descontinuamente Por que? 
Quais as principais 
formas de operação 
dos biorreatores? 
Modos de operação - depende do microrganismo, do 
meio de cultivo e do produto 
Aumentar a produtividade, redução 
de custos de operação 
Existem muitas formas de condução, porém de um modo 
geral pode ser operado das seguintes formas: 
 
Descontínua 
 com um inóculo por tanque 
 com recirculação de células - reuso 
 por cortes 
 
Semi-contínuo 
sem recirculação de células 
com recirculação de células - reuso 
 
Descontínuo alimentado 
sem recirculação de células 
com recirculação de células - reuso 
 
Contínuo 
executado em um reator (com ou sem recirculação de 
células – retenção celular) 
executado em vários reatores (com ou sem recirculação 
de células – retenção celular) 
 
 
 
 
“Colheita” 
Tempo 
Também referida como batelada 
 
É um sistema fechado. Recebe no inicio do processo, o 
inóculo contendo uma concentração celular adequada e 
o meio de cultura contendo concentração adequada de 
nutrientes não havendo adição durante processo, nem 
retirada de produto. 
Operação descontínua 
 Operada com um inóculo por tanque – chamado de 
batelada simples 
 
Modo mais seguro para manutenção da assepsia 
 
O conhecimento da cinética do processo em batelada 
simples é essencial para o desenvolvimento de outros 
modos de condução. 
 
 
Ambiente altamente variável no interior do 
biorreator ao longo do tempo. 
 Operado com recirculação de células - com 
reaproveitamento de inóculo. 
 
A separação das células é feito por centrifugação ou 
sedimentação dentro do próprio biorreator 
 
Evita a necessidade de preparar um novo inóculo para cada 
batelada – redução de custos e de tempo para alcançar altas 
concentrações celulares no reator 
Deve-se levar em consideração a manutenção da 
assepsia e viabilidade e estado fisiológico das células 
 Operação por meio de cortes 
 
É realizado a partir da divisão do meio fermentado da 
dorna inicial para uma outra sendo posteriormente 
completado o volume com meio de cultivo. 
 
O uso prolongado de cortes pode causar perda de 
rendimento. 
 
Vantagens dos métodos descontínuos: 
 
 Menores risco de contaminação que o processos 
contínuos – menor manipulação. 
 
 Melhor controle da estabilidade genética do micro-
organismo 
Desvantagens dos métodos descontínuos : 
 
 Baixos rendimentos e produtividade quando o 
substrato adicionado de uma só vez exerce efeito de 
inibição, repressão ou desvia o metabolismo para 
outros produtos 
 
 Apresenta tempos mortos – tempos em que o 
biorreator não esta sendo usado para produção. 
Cinética de crescimento, consumo de substrato e formação 
de produto em sistemas descontínuos 
 
 
µx = 1 . dX 
 X dt 
 
µs = 1 . dS 
 X dt 
 
µp = 1 . dX 
 X dt 
Calculo das velocidades específicas: 
Nota-se que as velocidades mudam ao 
longo do tempo – variação nas 
condições – estado fisiológico das 
células, pH, temperatura, 
concentração de substratos, presença 
de inibidores 
 
importância da medida de 
crescimento na fase 
exponencial onte µ é máximo. 
Também referida como batelada alimentada. 
 
Recebe o inóculo (10 a 20%) e parte do meio de cultivo no 
inicio do processo - ocorre a adição de nutrientes ao longo 
do processo sem ocorrer retirada do meio fermentado até o 
preenchimento do volume útil do biorreator. 
F 
Tempo 
“Colheita” 
F F 
Operação descontínua alimentada 
Pode ser alimentado um ou mais nutrientes ou com o meio 
de cultivo completo. 
 
A alimentação pode ser constante ou intermitente 
 
A vazão de alimentação pode ser constante ou não. 
 
Assim como na batelada simples o inóculo pode ser 
reaproveitado. Ou ainda parte do fermentado pode ser 
retirado dando-se inicio a uma nova alimentação. 
 
Aplicações: 
 
 Manter a concentração de substrato constante para 
estender o processo e a síntese do produto 
 
 Útil para minimizar os efeitos de repressão catabólica 
causada por fontes de carbono facilmente assimiláveis -
produção de enzimas relacionadas ao metabolismo de 
outras fontes de carbono. 
 
Deslocamento do metabolismo. Exemplo: produção de 
levedura de panificação. Alimentação com baixa 
concentração de glicose deslocando o metabolismo da 
levedura para respiração aeróbia e não fermentação – 
maior crescimento celular 
 Evitar a desrepressão de proteases que pode ocorrer 
com a escassez de nitrogênio. Alimentação de 
nitrogênio. 
 
 Obtenção de produto não associado ao crescimento. 
Condução em duas fases: altas concentrações de 
substrato (crescimento celular) e baixas concentrações 
de substrato, apenas suficiente para estender as 
condições ideais para síntese do produto. 
 
 Pode evitar que se trabalhe com nutrientes ou 
precursores em concentrações inibitórias 
 
Permite explorar aspectos cinéticos do processo para 
maximizar a formação do produto 
Importante conhecer a velocidade de consumo do 
substrato em batelada simples para determinar a vazão 
de alimentação 
 pode controlar a velocidade de crescimento reduzindo a 
concentração de produtos tóxicos no meio. 
 
Outra vantagem – apresenta menor risco de 
contaminação, mutação e instabilidade de genes 
heterólogos que o sistema em contínuo. 
 
Cinética de crescimento, consumo de substrato e formação 
de produto em sistemas descontínuos alimentado 
 
 
A concentraçao de célula (X) 
nao depende só da massa de 
célula mas também da 
variaçao de volume na dorna 
Velocidade específica de crescimento 
 
Levando-se em consideração que a concentração 
celular depende da velocidade específica de 
crescimento (µ) e da vazão específica de alimentação 
(D), temos: 
 
dX = (µ - D) . X sendo D = F/V 
dt 
F= vazão volumétrica de alimentação 
Se não houver variação na concentração celular no 
decorrer de um determinado tempo da curva (dX=0) , 
então µ = D dt 
 
V=Vi+F*t D decresce com o tempo 
Velocidade específica de consumo de substrato 
 
A velocidade de consumo de substrato em determinado 
tempo pode ser calculado pela equação: 
 
dS = D . (Sm - S) – μs X 
dt 
 
Onde: 
μs = Velocidade específica de consumo de substrato 
Sm = concentração de substrato no meio de alimentação 
S = concentração de substrato residual no fermentador 
Velocidade específica de formação de produto 
 
A velocidade específica de formação de produto (µp) em 
determinado tempo pode ser calculado pela equação: 
 
dP = µp . X – D.P 
dt 
 
Onde: 
X = concentração de celular no fermentador 
P = concentração de produto no fermentador 
D = vazão específica de alimentaçãoOperação semi-contínua 
Ocorre a retirada do meio fermentado (30 a 60%) e 
preenchimento de reator em uma vazão muito elevada – 
preenchimento instantâneo. Após período de incubação o 
procedimento é repetido. 
 
Difere do contínuo pois a o fluxo de entrada e saída são 
intermitentes. 
 
A porcentagem de meio fermentado retirado afetará a 
produtividade. 
 
Dificuldade de proceder o preenchimento instantâneo para 
reatores em larga escala – poucas aplicações industriais 
Sistema aberto onde o meio estéril é adicionado a uma 
vazão constante e o meio cultivado é retirado na mesma 
vazão (volume constante). 
 
Geralmente apresentam maiores produtividades- em virtude 
da reduçao de tempos mortos. 
 
Operação em estado permanente: concentração de célula, 
de substrato limitante e de produto permanecem constante 
ao longo do tempo de operação 
 
Operação contínua 
Pode ser com ou sem reciclo de células 
 
contínuo com reciclo de células: permite a obtenção de 
altas concentrações celulares, mesmo para organismos 
com altos tempo de duplicação. 
 
Equipamentos para separaçao das células: 
sedimentadores, centrifugas, membranas. 
 
Outra modalidade: contínuo operado em vários reatores: 
Permite estabelecimento de diferentes condiçoes em 
cada reator - comum em tratamento de efluentes. 
 
• Vantagens 
 
– inexistência de tempos improdutivos, permanecendo o 
equipamento muito mais tempo em operação 
– as operações que antecedem e sucedem o processo 
podem ser realizadas continuamente 
– possibilidade de instrumentação e controle do 
processo, reduzindo os custos de mão-de-obra 
– maior uniformidade do produto 
– as condições ambientais são constantes, facilitando o 
estudo de diferentes parâmetros sobre o crescimento 
celular e a produtividade 
• Desvantagens 
 
– riscos de contaminação ou problemas de 
degenerescência do agente (ex.: mutação) 
– Maior investimento inicial 
– Dificuldade de manter a homogeneidade no reator 
quando se trabalha com vazões baixas ou quando o 
agente é um fungo filamentoso 
– Dificuldade de operar continuamente quando o agente 
adere a parede do reator e acessórios ou forma 
espuma 
 
Exemplos de aplicações industriais – produção de etanol e 
tratamento biológico de efluentes 
Operação: 
 
Inicia como uma batelada simples. 
 
A retirada de meio fermentado e alimentação deve iniciar 
quando a concentração da biomassa for mais alta 
possível – cultivo em fase exponencial. 
 
O estabelecimento do estado permanente depende 
principalmente da vazão empregada. 
F 
“Colheita” 
contínua, 
contendo 
biomassa 
Batelada 
inicial 
Tempo 
• Contínuo simples 
Velocidade específica de crescimento 
 
Levando-se em consideração que a concentração 
celular depende da velocidade específica de 
crescimento (µ) e da vazão específica de alimentação 
(D), temos: 
 
dX = (µ - D) . X sendo D = F/V 
dt 
 
Para o estabelecimento do estado permanente, não 
deve haver variação na concentraçao celular no decorrer 
de um determinado tempo da curva (dX=0) , entao µ = D 
 dt 
Para obter altas produtividades é preciso conhecer a 
relação entre μ e a concentração de substrato limitante – 
equação de Monod. 
 
μ = D = μmax .S 
 Ks + S 
 
Quando D = μmax 
observa-se Ks é igual 
a zero e que não se 
observa mais 
consumo no reator. 
Velocidade específica de formação de produto 
 
Considerando a equação abaixo, e levando-se em conta 
que no estado permanete dP/dt = 0: 
 
dP = µp . X – D.P µp . X = D.P 
dt 
 
Onde: 
X = concentração de celular no fermentador 
P = concentração de produto no fermentador 
D = vazão específica de alimentação 
 
A concentraçao de produto irá depender também do tipo 
de cinética - relaçao µp e µx 
Velocidade específica de consumo de substrato 
 
Considerando a equação abaixo, e levando-se em conta 
que no estado permanente dS/dt = 0: 
 
dS = D . (Sm - S) – μs X D . (Sm - S) = μs X 
dt 
 
Onde: 
μs = Velocidade específica de consumo de substrato 
Sm = concentração de substrato no meio de alimentação 
S = concentração de substrato residual no fermentador 
F 
“Colheita” 
contínua, 
isenta de 
biomassa 
Batelada 
inicial 
Tempo 
• Contínuo com reciclo celular 
Pode ser com reciclo celular interno ou externo 
Velocidades específicas – reciclo interno 
 
Levando-se em consideração o fator de perda de células 
(A), temos: 
 
dX = µ.X – A.D.X estando A entre 0 e 1 
dt 
 
Para o estabelecimento do estado permanente, não 
deve haver variação na concentraçao celular no decorrer 
de um determinado tempo da curva (dX=0) , 
entao µ = AD dt 
 
As equações para substrato e produto serão as 
mesmas 
 
Velocidades específicas – reciclo externo 
 
µ = BD 
 
Onde: 
 
 B = 1- a. g 
 1 – a 
a = fração do liquido que é reciclado 
g = Fator de incremento da conc. Celular (g>1) 
 
As equações para substrato e produto serão as 
mesmas 
0.1
1
10
100
0 5 10 15 20 25
Time (days)
Xv
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Batch
Fed-batch
Continuous
Perfusion
Comparação entre as 
formas de operação