EB2 - Aula 1 - Apresentação e Introdução

Prévia do material em texto

ENGENHARIA BIOQUÍMICA 2 (EB2)
Disciplina 107077 – Turma B – 2019/1
Horário: Quarta-feira (14 – 18 h) AT 10 sala 239
Profa. Dra. Fernanda Perpétua Casciatori
Departamento de Engenharia Química (DEQ)
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)
Apresentação da Docente
 Engenharia de Alimentos (2004 – 2008) – UNESP São José do Rio Preto
 Mestrado (2009 – 2011) e Doutorado (2011 – 2015) em Engenharia e Ciência de Alimentos – UNESP
 Doutorado Sanduíche (01/2013 a 01/2014) – Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Alemanha
 Pós-Doutorado (05/2015 a 09/2015) – UNESP São José do Rio Preto
 Docente na UFSCar desde 09/2015
 CCN/Campus Lagoa do Sino de 09/2015 a 12/2016
 DEQ/CCET desde 12/2016
 Áreas de pesquisa:
 Engenharia Bioquímica
 Fermentação em Estado Sólido
 Biorreatores e Engenharia de Bioprocessos
 Cultivo de Células Animais
Profa. Dra. Fernanda Perpétua Casciatori Endereço para CV Lattes: http://lattes.cnpq.br/1269950652196294
Apresentação d@s Alun@s
Conterrâneos? IC em EB? Interesse em indústrias de Bioprocessos? 
Estágio e/ou TG em EB? Interesse em disciplinas correlatas?
Apresentação da disciplina
 Indicação: Engenharia Química (7º período – 4º ano)
 Disciplina Obrigatória;
 Departamento de Engenharia Química (DEQ);
 Carga horária: 60 horas teóricas; 4 créditos teóricos.
 Objetivos gerais:
 Introduzir os conceitos fundamentais de microbiologia industrial; desenvolver 
os principais modelos cinéticos; apresentar e analisar equações de projeto de 
biorreatores ideais e das principais operações unitárias envolvidas nos 
processos microbiológicos.
Apresentação da disciplina
 Ementa:
 1. Cinética de crescimento e de morte celular.
 2. Estequiometria da atividade celular.
 3. Esterilização.
 4. Análise de biorreatores.
 5. Agitação e aeração.
 6. Aumento de escala.
Apresentação da disciplina
 Bibliografia:
 DORAN, P. M. Bioprocess engineering principles. Academic Press, 1995.
 ATKINSON, B.; MAVITUNA, F. Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook. Basingstoke: Stockton Press, 
1991.
 BAILEY, James Edwin; OLLIS, David F. Biochemical engineering fundamentals. New York: McGraw-Hill Book, 1977. 
753 p.
 SCHMIDELL, W.; LIMA, U.A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. Biotecnologia Industrial. Engenharia 
Bioquímica. São Paulo: Edgard Blücher Ltda. v. 2, 2001.
 AIBA, S.; HUMPHREY, A. E.; MILLIS, N. F. Engenharia Bioquímica. Tradução de Julio Cesar Medina. Campinas: 
Fundação Centro Tropical de Pesquisa e Tecnologia de Alimentos, 1971. 334 p.
 SHULER, Michael & KARGI, Fikret. Bioprocess Engineering: Basic Concepts. 2nd Edition. Prentice Hall, 2006.
Apresentação da disciplina
 Avaliação:
 Vários instrumentos de avaliação serão utilizados: provas (P1 e P2), atividades em 
sala (A) e seminário (S).
MF = 0,35*P1 + 0,1*A1 + 0,35*P2 + 0,1*A2 + 0,1*S
 Critérios de aprovação e recuperação:
 Frequência ≥ 75 % e MF ≥ 6,0 →Aprovado;
 Frequência ≥ 75 % e 5,0 ≤ MF ≤ 6,0 → Recuperação;
 Frequência < 75 % e/ou MF < 5,0 → Reprovado.
Apresentação da disciplina
 Datas das Provas, Atividades e Seminário:
 A1: 24/04
 P1: 08/05
 A2: 12/06
 P2: 19/06
 S: 03/07
Não haverá prova substitutiva; casos excepcionais serão analisados individualmente. 
Cronograma
Cronograma 1º semestre 2019
EB 2
20/mar Apresentação da disciplina e introdução a bioprocessos
27/mar Estequiometria do crescimento celular
03/abr Termodinâmica do crescimento celular
10/abr
Tipos de cultivo e de biorreatores / Obtenção e análise de dados cinéticos / Monitoramento e controle 
de biorreatores
17/abr Cálculos em biorreatores operados em batelada e batelada alimentada
24/abr Atividade 1
01/mai Feriado
08/mai Prova 1
15/mai Cálculos em biorreatores operados em modo contínuo
22/mai Agitação e aeração / Ampliação de escala
29/mai Cinética do crescimento e da morte celular
05/jun Técnicas e cálculos de esterilização por calor
12/jun Atividade 2
19/jun Prova 2
26/jun Tópicos especiais em Engenharia Bioquímica
03/jul Seminários: tópicos especiais em esterilização e em biosseparações
10/jul Livre
Bioprocessos
Bioprocessos: essenciais em muitas indústrias de alimentos, químicas e farmacêuticas.
Empregam células microbianas, animais e vegetais e/ou componentes celulares (enzimas) para sintetizar
bioprodutos e/ou destruir compostos indesejáveis.
Antiguidade: alimentos fermentados;
Produtos comerciais baratos: álcool industrial e solventes orgânicos;
Produtos químicos especiais caros: antibióticos, proteínas terapêuticas e vacinas. 
Enzimas industriais, células vivas (leveduras cervejeiras e de panificação).
Desenvolvimento de bioprocessos:
um desafio interdisciplinar
Desenvolvimento de bioprocessos:
um desafio interdisciplinar
Bioprocessos: essenciais em muitas indústrias de alimentos, químicas e farmacêuticas.
Empregam células microbianas, animais e vegetais e/ou componentes celulares (enzimas) para sintetizar
bioprodutos e/ou destruir compostos indesejáveis.
Antiguidade: alimentos fermentados;
Produtos comerciais baratos: álcool industrial e solventes orgânicos;
Produtos químicos especiais caros: antibióticos, proteínas terapêuticas e vacinas. 
Enzimas industriais, células vivas (leveduras cervejeiras e de panificação).
Desenvolvimento de bioprocessos:
um desafio interdisciplinar
Bioprocessos: essenciais em muitas indústrias de alimentos, químicas e farmacêuticas.
Empregam células microbianas, animais e vegetais e/ou componentes celulares (enzimas) para sintetizar
bioprodutos e/ou destruir compostos indesejáveis.
Antiguidade: alimentos fermentados;
Produtos comerciais baratos: álcool industrial e solventes orgânicos;
Produtos químicos especiais caros: antibióticos, proteínas terapêuticas e vacinas. 
Enzimas industriais, células vivas (leveduras cervejeiras e de panificação).
Desenvolvimento de bioprocessos:
um desafio interdisciplinar
Bioprocessos: essenciais em muitas indústrias de alimentos, químicas e farmacêuticas.
Empregam células microbianas, animais e vegetais e/ou componentes celulares (enzimas) para sintetizar
bioprodutos e/ou destruir compostos indesejáveis.
Antiguidade: alimentos fermentados;
Produtos comerciais baratos: álcool industrial e solventes orgânicos;
Produtos químicos especiais caros: antibióticos, proteínas terapêuticas e vacinas. 
Enzimas industriais, células vivas (leveduras cervejeiras e de panificação).
(Doran, 1995)
Principais produtos oriundos de processamento biológico
(Doran, 1995)
Principais produtos oriundos de processamento biológico
(Doran, 1995)
Principais produtos oriundos de processamento biológico
(Doran, 1995)
Principais produtos oriundos de processamento biológico
Não inclusos na Tabela...
 Processos de tratamento de águas residuárias;
 Biorremediação;
 Recuperação microbiana mineral;
 Alimentos e bedidas como iogurte, pães, vinagre, molho de soja, cerveja e vinho;
 Processos industriais empregando enzimas (cervejaria, panificação, confecções, clarificação de sucos de 
frutas, transformação de antibióticos, conversão de amido em açúcares fermentáveis). 
Engenharia de Bioprocessos
Estudo dos princípios de engenharia aplicados aos processos envolvendo células ou enzimas. 
Natureza interdisciplinar: estágios de até o processo industrial completo.
Questões biológicas, químicas, físicas, de engenharia e algumas vezes médicas. 
Profissionais de diferentes especialidades.
Exemplo: fabricação de um novo bioproduto derivado de DNA recombinante (insulina, hormônio de 
crescimento ou interferon).
Engenharia de Bioprocessos
Estudo dos princípios de engenharia aplicados aos processos envolvendo células ou enzimas. 
Natureza interdisciplinar: estágios até o processo industrial completo.
Questões biológicas, químicas, físicas, de engenharia e algumas vezes médicas. 
Profissionais de diferentes especialidades.
Exemplo: fabricação de umnovo bioproduto derivado de DNA recombinante (insulina, hormônio de 
crescimento ou interferon).
Engenharia de Bioprocessos
Estudo dos princípios de engenharia aplicados aos processos envolvendo células ou enzimas. 
Natureza interdisciplinar: estágios até o processo industrial completo.
Questões biológicas, químicas, físicas, de engenharia e algumas vezes médicas. 
Profissionais de diferentes especialidades.
Exemplo: fabricação de um novo bioproduto derivado de DNA recombinante (insulina, hormônio de 
crescimento ou interferon).
Engenharia de Bioprocessos
Estudo dos princípios de engenharia aplicados aos processos envolvendo células ou enzimas. 
Natureza interdisciplinar: estágios até o processo industrial completo.
Questões biológicas, químicas, físicas, de engenharia e algumas vezes médicas. 
Profissionais de diferentes especialidades.
Exemplo: fabricação de um novo bioproduto derivado de DNA recombinante (insulina, hormônio de 
crescimento ou interferon).
Engenharia de Bioprocessos
Estudo dos princípios de engenharia aplicados aos processos envolvendo células ou enzimas. 
Natureza interdisciplinar: estágios até o processo industrial completo.
Questões biológicas, químicas, físicas, de engenharia e algumas vezes médicas. 
Profissionais de diferentes especialidades.
Exemplo: fabricação de um novo bioproduto derivado de DNA recombinante (insulina, hormônio de 
crescimento ou interferon).
(Doran, 1995)
Biomol
(Doran, 1995)
EB2
Biomol
(Doran, 1995)
EB2
Biosseparações
Biomol
(Doran, 1995)
Etapa de cultivo em pequena escala
 Características de crescimento e produção das células: função do ambiente de cultivo.
Etapa de cultivo em pequena escala
 Características de crescimento e produção das células: função do ambiente de cultivo.
 Habilidades práticas em microbiologia e análises cinéticas.
Etapa de cultivo em pequena escala
 Características de crescimento e produção das células: função do ambiente de cultivo.
 Habilidades práticas em microbiologia e análises cinéticas.
 Frascos agitados de 250 mL a 1 L de capacidade.
Etapa de cultivo em pequena escala
 Características de crescimento e produção das células: função do ambiente de cultivo.
 Habilidades práticas em microbiologia e análises cinéticas.
 Frascos agitados de 250 mL a 1 L de capacidade.
 Efeitos de fatores como composição do meio, pH, temperatura e 
outras condições que maximizem crescimento e produtividade.
Etapa de cultivo em pequena escala
 Características de crescimento e produção das células: função do ambiente de cultivo.
 Habilidades práticas em microbiologia e análises cinéticas.
 Frascos agitados de 250 mL a 1 L de capacidade.
 Efeitos de fatores como composição do meio, pH, temperatura e 
outras condições que maximizem crescimento e produtividade.
 Parâmetros calculados: taxa de crescimento celular, 
produtividade específica e rendimento de produto.
Etapa de cultivo em biorreator de bancada
 Condições de cultivo estabelecidas →Ampliação de escala. 
Etapa de cultivo em biorreator de bancada
 Condições de cultivo estabelecidas →Ampliação de escala. 
 Biorreator de bancada;
 Instrumentos para medida e ajuste de temperatura, pH, concentração de 
oxigênio dissolvido, velocidade do agitador e outras variáveis de processo.
 Monitoramento e controle.
Etapa de cultivo em biorreator de bancada
 Condições de cultivo estabelecidas →Ampliação de escala. 
 Biorreator de bancada;
 Instrumentos para medida e ajuste de temperatura, pH, concentração de 
oxigênio dissolvido, velocidade do agitador e outras variáveis de processo.
 Monitoramento e controle.
 Requerimentos de oxigênio das células, sensibilidade ao cisalhamento, 
características de formação de espuma e outros parâmetros. 
Etapa de cultivo em biorreator de bancada
 Limitações impostas pelo reator na atividade do organismo devem ser identificadas!
 Fornecimento de O2; 
 Danos causados pelo agitador. 
Etapa de cultivo em biorreator de bancada
 Limitações impostas pelo reator na atividade do organismo devem ser identificadas!
 Fornecimento de O2; 
 Danos causados pelo agitador. 
 O biorreator deve oferecer condições para a ótima atividade das células. 
Etapa de cultivo em biorreator de bancada
 Limitações impostas pelo reator na atividade do organismo devem ser identificadas!
 Fornecimento de O2; 
 Danos causados pelo agitador. 
 O biorreator deve oferecer condições para a ótima atividade das células. 
 Parâmetros medidos e calculados: coeficientes de transferência de calor e massa, 
tempo de mistura, retenção de gás, taxa de consumo de oxigênio, 
número de potência, tensão de cisalhamento e outros.
Etapa de cultivo em biorreator de bancada
 Limitações impostas pelo reator na atividade do organismo devem ser identificadas!
 Fornecimento de O2; 
 Danos causados pelo agitador. 
 O biorreator deve oferecer condições para a ótima atividade das células. 
 Parâmetros medidos e calculados: coeficientes de transferência de calor e massa, 
tempo de mistura, retenção de gás, taxa de consumo de oxigênio, 
número de potência, tensão de cisalhamento e outros.
 Modo de operação: batelada, semi-batelada ou contínuo.
Etapa de cultivo em biorreator em escala piloto
 Nova ampliação de escala → Biorreator piloto.
oxygen-
starved
oxygen-
starved
Etapa de cultivo em biorreator em escala piloto
 Nova ampliação de escala → Biorreator piloto.
 Capacidade de 100 a 1000 L
 Especificações baseadas no protótipo de bancada. oxygen-
starved
oxygen-
starved
oxygen-
starved
oxygen-
starved
Etapa de cultivo em biorreator em escala piloto
 Nova ampliação de escala → Biorreator piloto.
 Capacidade de 100 a 1000 L
 Especificações baseadas no protótipo de bancada.
 Examinar a resposta das células ao aumento de escala!
 Perda ou variação de desempenho;
 Projeções econômicas frequentemente devem ser revisadas.
oxygen-
starved
oxygen-
starved
oxygen-
starved
oxygen-
starved
Operação em escala industrial
 Última ampliação de escala → Operação industrial.
Operação em escala industrial
 Última ampliação de escala → Operação industrial.
 Reator + Serviços de suporte
 Suprimento de ar;
 Esterilização do equipamento;
 Geração e linhas de distribuição de vapor;
 Preparo e esterilização de meio de cultivo;
 Suprimento de água de resfriamento;
 Redes de controle de processo. 
Operação em escala industrial
 Última ampliação de escala → Operação industrial.
 Reator + Serviços de suporte
 Suprimento de ar;
 Esterilização do equipamento;
 Geração e linhas de distribuição de vapor;
 Preparo e esterilização de meio de cultivo;
 Suprimento de água de resfriamento;
 Redes de controle de processo. 
 Garantir que a fermentação seja conduzida assepticamente!
 Células recombinantes ou organismos patogênicos: 
requisitos de contenção e segurança.
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
Interdependência:
Abordagem
integrada
Célula ou enzima 
utilizada
Condições de 
cultivo
Equipamento
Operações de 
recuperação
do produto
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
Interdependência:
Abordagem
integrada
Célula ou enzima 
utilizada
Condições de 
cultivo
Equipamento
Operações de 
recuperação
do produto
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
Interdependência:
Abordagem
integrada
Célula ou enzima 
utilizada
Condições de 
cultivo
Equipamento
Operações de 
recuperação
do produtoAbordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
Interdependência:
Abordagem
integrada
Célula ou enzima 
utilizada
Condições de 
cultivo
Equipamento
Operações de 
recuperação
do produto
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
Interdependência:
Abordagem
integrada
Célula ou enzima 
utilizada
Condições de 
cultivo
Equipamento
Operações de 
recuperação
do produto
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
 Características biológicas de células e enzimas
 Termoestabilidade de enzimas x temperatura de operação;
 Susceptibilidade a inibição por substrato: batelada x batelada alimentada. 
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
 Características biológicas de células e enzimas
 Termoestabilidade de enzimas x temperatura de operação;
 Susceptibilidade a inibição por substrato: batelada x batelada alimentada. 
 Aspectos de Engenharia 
 Aumento de viscosidade do caldo de cultivo;
 Tolerância a agitação x aumento da permeabilidade.
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
 Características biológicas de células e enzimas
 Termoestabilidade de enzimas x temperatura de operação;
 Susceptibilidade a inibição por substrato: batelada x batelada alimentada. 
 Aspectos de Engenharia 
 Aumento de viscosidade do caldo de cultivo;
 Tolerância a agitação x aumento da permeabilidade.
 Formulação de meios
 Soro fetal bovino: crescimento de células animais x rendimentos de purificação finais.
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
Biólogos
• Técnicas experimentais
• Modelos qualitativos
• Pouca familiaridade com 
matemática
• Complexidade e minuciosidade
dos sistemas biológicos
Engenheiros
• Métodos quantitativos
• Teoria física e matemática
• Visão simplificada e pragmática
das células e enzimas
• Foco em aspectos que afetam o 
resultado do processo
Abordagem integrada no 
desenvolvimento de bioprocessos
Biólogos
• Técnicas experimentais
• Modelos qualitativos
• Pouca familiaridade com 
matemática
• Complexidade e minuciosidade
dos sistemas biológicos
Engenheiros
• Métodos quantitativos
• Teoria física e matemática
• Visão simplificada e pragmática
das células e enzimas
• Foco em aspectos que afetam o 
resultado do processo
Engenharia de Bioprocessos
Engenharia Bioquímica
Ao final do curso de EB2...
Ao final do curso de EB2...
Maior apreciação pela 
engenharia de 
bioprocessos
Comunicação a nível 
profissional com 
engenheiros de 
bioprocessos 
Análise crítica de 
novas propostas de 
processos
Cálculos de rotina e 
verificações nos 
processos
Análise de dados
Projeto de 
equipamentos
Interface de biologia e 
engenharia
Ao final do curso de EB2...
Maior apreciação pela 
engenharia de 
bioprocessos
Comunicação a nível 
profissional com 
engenheiros de 
bioprocessos 
Análise crítica de 
novas propostas de 
processos
Cálculos de rotina e 
verificações nos 
processos
Análise de dados
Projeto de 
equipamentos
Interface de biologia e 
engenharia
Ao final do curso de EB2...
Maior apreciação pela 
engenharia de 
bioprocessos
Comunicação a nível 
profissional com 
engenheiros de 
bioprocessos 
Análise crítica de 
novas propostas de 
processos
Cálculos de rotina e 
verificações nos 
processos
Análise de dados
Projeto de 
equipamentos
Interface de biologia e 
engenharia
Ao final do curso de EB2...
Maior apreciação pela 
engenharia de 
bioprocessos
Comunicação a nível 
profissional com 
engenheiros de 
bioprocessos 
Análise crítica de 
novas propostas de 
processos
Cálculos de rotina e 
verificações nos 
processos
Análise de dados
Projeto de 
equipamentos
Interface de biologia e 
engenharia
Ao final do curso de EB2...
Maior apreciação pela 
engenharia de 
bioprocessos
Comunicação a nível 
profissional com 
engenheiros de 
bioprocessos 
Análise crítica de 
novas propostas de 
processos
Cálculos de rotina e 
verificações nos 
processos
Análise de dados
Projeto de 
equipamentos
Interface de biologia e 
engenharia
Ao final do curso de EB2...
Maior apreciação pela 
engenharia de 
bioprocessos
Comunicação a nível 
profissional com 
engenheiros de 
bioprocessos 
Análise crítica de 
novas propostas de 
processos
Cálculos de rotina e 
verificações nos 
processos
Análise de dados
Projeto de 
equipamentos
Interface de biologia e 
engenharia
Ao final do curso de EB2...
Maior apreciação pela 
engenharia de 
bioprocessos
Comunicação a nível 
profissional com 
engenheiros de 
bioprocessos 
Análise crítica de 
novas propostas de 
processos
Cálculos de rotina e 
verificações nos 
processos
Análise de dados
Projeto de 
equipamentos
Interface de biologia e 
engenharia
Obrigada e até a 
próxima aula!
fernanda.casciatori@ufscar.br
DEQ/UFSCar
Sala da disciplina no AVA