Estudo dirigido 6

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Estudo Dirigido 6: Modos de operação do Processo Fermentativo 
Questão 1. A respeito do Processo Fermentativo Contínuo, explique: 
(a) Quais as principais características; 
O processo de fermentação contínua caracteriza-se por possuir uma alimentação 
contínua de meio de cultura a uma determinada vazão constante, sendo o volume de 
reação mantido constante através da retirada contínua de caldo fermentado. A 
manutenção de volume constante de líquido no reator é de primordial importância, a fim 
de que o sistema atinja a condição de estado estacionário ou regime permanente 
("steady state"), condição na qual as variáveis de estado (concentração de células, de 
substrato limitante e de produto) permanecem constantes ao longo do tempo de 
operação do sistema. De fato, o processo contínuo caracteriza-se fundamentalmente por 
ser um sistema que pode operar por longos períodos de tempo em estado estacionário, 
decorrendo desta situação uma série de vantagens em relação ao processo descontínuo 
tradicional 
(b) As vantagens e desvantagens deste processo; 
As principais vantagens apresentadas pelo processo contínuo de fermentação, em 
relação ao descontínuo tradicional, são decorrentes da operação em estado estacionário, 
podendo-se destacar: · 
• aumento da produtividade do processo, em virtude de uma redução dos tempos mortos 
ou não-produtivos; 
• obtenção de caldo fermentado uniforme, o que facilita o projeto das operações de 
recuperação do produto de interesse ("downstream"); 
• manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, o que torna o processo 
contínuo uma excelente ferramenta para estudos de mecanismos de regulação 
metabólica ou, ainda, para estudos de otimização da composição de meio de cultura; 
• possibilidade de associação com outras operações contínuas na linha de produção; 
• maior facilidade no emprego de controles avançados; 
• menor necessidade de mão-de-obra. Entretanto, ao lado das inúmeras vantagens 
apontadas, 
O processo contínuo de fermentação apresenta também algumas desvantagens ou 
problemas práticos, que podem limitar o emprego deste tipo de sistema em escala 
industrial, para alguns processos fermentativos. Assim, podem-se destacar: 
• maior investimento inicial na planta; 
• possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas, resultando na seleção 
de mutantes menos produtivos; 
• maior possibilidade de ocorrência de contaminações, por se tratar de um sistema 
essencialmente aberto, necessitando pois, de manutenção de condições de assepsia nos 
sistemas de alimentação e retirada de meio, desde que o processo assim o exija; 
• dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator, quando se trabalha com 
baixas vazões, ou quando o caldo adquire comportamento pseudoplástico, como é o 
caso do cultivo de fungos filamentosos; dificuldades de operação em estado estacionário 
em determinadas situações (formação de espuma, crescimento do microrganismo nas 
paredes do reator, ou ainda, nos sistemas de entrada e saída de líquido). 
(c) O estado estacionário; 
O sistema contínuo de fermentação é extremamente versátil quanto às suas várias 
possibilidades de operação, tais como: 
• Contínuo em um único estágio (um único reator): 
• sem reciclo de células 
• com reciclo de células 
• Contínuo em múltiplos estágios (n reatores em série): 
• com uma única alimentação (com ou sem reciclo de células) 
• com múltiplas alimentações (com ou sem reciclo de células) 
Cada uma dessas diferentes opções irá resultar em distintos comportamentos das 
variáveis de estado (concentração de células, de substrato e de produto) nos diversos 
estados estacionários possíveis, podendo-se, assim, definir faixas ideais de operação do 
sistema, tendo como objetivo básico a obtenção de elevadas produtividades do processo. 
(d) As relações matemática entre o fluxo (D) e a velocidade específica de 
crescimento microbiano no estado estacionário e fora dele; 
Considerando-se, pois, a eq. (12.8) em estado estacionário (dS/dt = 0), pode-se escrever: 
 
Assim, fazendo-se Jl = D, obtém-se a expressão: 
 
No que se refere à operação do biorreator em regime contínuo, é da mais alta 
importância que se procure conhecer o comportamento das variáveis de estado X, S e P, 
em estado estacionário, em função da vazão específica de alimentação D, a fim de que 
se possam estabelecer faixas ideais de operação do sistema, tendo em vista a obtenção 
de altas produtividades do processo. 
Nesse sentido, torna-se necessário o conhecimento da cinética do processo, o que 
significa dispor de uma correlação entre a velocidade específica de crescimento (J..t) e a 
concentração do substrato limitante (S). Como se sabe, embora existam várias propostas 
na literatura, o modelo cinético de MONOD11 é o mais amplamente empregado, 
adequando-se para um grande número de processos fermentativos. Por essa razão, é de 
grande interesse obter-se as curvas de X e S em estado estacionário, quando se 
considera válido o modelo de Monod, dado pela equação abaixo: 
 
onde: μmax =velocidade específica máxima de crescimento (h-1 ) Ks =constante de 
saturação de Monod (g/L) Assim, fazendo-se μ = D e isolando-se S, obtém-se: 
 
Substituindo-se a eq. (12.13) na eq. (12.11), obtém-se a seguinte equação para X em 
função de D: 
 
Por outro lado, a produtividade em células, no sistema contínuo sem reciclo de células, 
é dada por: 
 
Dessa forma, a partir das eqs. (12.13), (12.14) e (12.15), pode-se prever o 
comportamento de X, S e Px, em função da vazão específica de alimentação D, 
conforme indicado na Figura 12.2, onde se apresentam as curvas obtidas por simulação 
das citadas equações. A partir da Figura 12.2, observa-se que os valores de X 
permanecem praticamente constantes em uma grande faixa de valores de D, ocorrendo 
uma brusca queda até o valor zero, quando D se aproxima do valor de μmax· Por outro 
lado, a equação (12.13) indica que quando D = μmax o valor de S tende ao infinito, o que 
na prática significa tender para o máximo valor possível, ou seja, o valor S0 , isto é, a 
concentração do substrato na 'alimentação. Nesse caso, quando S = S0 observa-se, a 
partir da eq. (12.14), que se obtém um valor nulo para a concentração celular em estado 
estacionário. Tal condição de operação é conhecida como "estado estacionário de 
lavagem", ou simplesmente "lavagem" (“wash-out"), situação na qual ocorre um arraste 
das células do reator. O valor da vazão específica de alimentação no qual se tem a 
máxima velocidade específica de crescimento é denominado "D crítico" (Dc)· 
 
Assim, a condição de lavagem do reator permite estabelecer a faixa de operação do 
reator contínuo que, no caso do reator ideal, sem reciclo de células, está entre zero e 
μmax obedecendo-se, portanto, à condição D > Dc. 
Entretanto, dentro dessa ampla faixa de operação, verifica-se, a partir da Figura 12.2, 
que os mais altos valores de produtividade em células são obtidos quando D está muito 
próximo a μmax ou seja, numa região de grande instabilidade de operação do reator, pois 
uma flutuação mínima na vazão específica de alimentação, poderá ocasionar a lavagem 
do reator. Por essa razão, caso o objetivo do processo seja a produção de células, 
recomenda-se a operação do reator em valores um pouco menores de D (em torno de 10 
a 15% menor), obtendo-se assim uma produtividade em células menor que a máxima, 
porém ainda suficientemente elevada.