Aula_3_Fermentacao_continua_e_descontinua

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
IT-217 BIOENGENHARIA
PROFESSOR ORMINDO GAMALLO
Aula 3: Sistemas de fermentação contínua e descontínua
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
 Introdução:
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
 Vantagens :
- Menores riscos de contaminação;
- Grande flexibilidade de operação (Plantas multi propósito)
- Melhor controle da estabilidade genética do microorganismo
 Desvantagens:
- Tempos “mortos”
- Efeitos de inibição (Metabólitos secundários)
 Classificação:
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
 Número de Dornas
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
- Seja:
F = vazão de líquido fermentado (Volume/tempo)
tf = tempo de fermentação de uma dorna
V = capacidade de cada dorna (Volume)
D = número de dornas necessários para garantir F contínuo
td = tempo de descarga de uma dorna
tc = tempo de limpeza e carga de uma dorna
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
Considere:
Fermentação em batelada que
fornece de maneira contínua
líquido fermentado para o
tratamento final
F depende dos seguintes fatores:
a) Massa de produto final requerida (M) em um tempo (t)
b) Do rendimento do processo (r)
c) Da concentração de produto final (C)
td pode ser calculado por:
tf depende do processo fermentativo
Para fins de cálculo arbitra-se 
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
C.t.r
M
F 
F
V
td 
dttc 
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA
Tempo até iniciar a dorna D:
fd tt  d1).t(D
d1).t(D
d
f
t
t
 2D
V
tF f.2D
- Alimentação e retirada de produto feita de forma contínua.
- Volume reacional constante = Variáveis de estado (X, S, P) constantes 
ao longo do tempo de operação do sistema.
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
Vantagens:
- Aumento da produtividade do processo (sem tempos
“mortos”);
- Fermentado uniforme – Facilita as operações de recuperação
do produto;
- Manutenção das células em um mesmo estágio fisiológico –
Estudos de mecanismo de regulação metabólica e otimização
de composição de meios de cultura;
- Não ocorre aumento da concentração de metabolitos;
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
Desvantagens:
- Maior risco de contaminação;
- Possibilidade de degenerescência do agente (mutação)
- Dificuldade de manutenção da homogeneidade do meio 
reacional (Variação da viscosidade do meio)
- Deve-se evitar a formação de espuma
Principais Aplicações:
- Produção de etanol
- Tratamento de efluentes
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
Formas de Operação no Sistema Contínuo :
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
 Equacionamento de um Reator Contínuo sem Reciclo de Células:
F = vazão volumétrica de alimentação (L/h)
V = volume de meio reacional (L)
X = conc de células no reator (g/L)
X0 = conc de células na alimentação (g/L)
S = conc de substrato no reator (g/L)
S0 = conc de substrato na alimentação (g/L)
P = conc de produtos no reator (g/L)
P0 = conc de produtos na alimentação (g/L)
µ = velocidade específica de crescimento (1/h)
qP = velocidade específica de formação de produtos (gP /gX.h)
qS = velocidade específica de consumo de substrato (gS /gX.h)
YX/S = fator de conversão de substrato em células (gX /gS)
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
 Balanço material para o microorganismo:
- Sendo o volume reacional constante:
-
- A velocidade global instantânea de crescimento pode ser 
expressa como:
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
CRESCdt
dX
VXFXF
dt
dX





 ... 0V
X
dt
dX
CRESC
.





)1(
)2(
- Taxa de diluição D:
- Substituindo (2) e (3) em (1):
- Como na alimentação X0 = 0, tem-se:
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
V
F
D 
  XXXD
dt
dX
.0 
)3(
)4(
XDX
dt
dX
..   )5(
- No estado estacionário dX/dt = 0, logo:
- Analogamente o balanço material para o substrato e para 
o produto ficam:
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
XDX .. 
D
)6(
)7(
   
SX
S Y
X
SSDXqSSD
dt
dS
/
00
.
.

 )8(
)9(  XqPPD
dt
dP
P .0 
- No estado estacionário dS/dt = 0, logo:
-Como µ = D:
Conhecendo o comportamento das variáveis X, S e P no 
estado estacionário, em função da taxa de diluição D, pode-se 
estabelecer faixas ideais de operação do sistema
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
  SXYSSDX /0 .. 
 SSY SX  0/ .
)10(
)11(
- Cinética do processo – Correlação entre µ e S
- Do modelo de Monod tem-se:
- Fazendo µ = D e isolando S:
- Substituindo (13) em (11):
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
SK
S
S
máx


.
D
DK
S
máx
S



.
)12(
)13(








D
DK
SYX
máx
S
SX 
.
0/
)14(
- Em termos de produtividade em células em sistema contínuo 
sem reciclo:
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA








D
DK
SYDXDP
máx
S
SXX 
.
.. 0/ )15(
FERMENTAÇÃO CONTÍNUA
- Das equações 13, 14 e 15 obtemos o gráfico: