Formas de condução de um
processo fermentativo
As formas básicas de condução de um processo
fermentativo são o descontínuo e o contínuo.
Descontínuo alimentado e Semicontínuo são
formas desenvolvidas a partir das formas básicas
com o objetivo de contornar problemas inerentes
a estes processos.
Formas de condução de um
processo fermentativo
As diferenças entre as formas de operação
podem ser bem entendidas em relação a
variação do volume do cultivo, da massa total e
das concentrações de células, substrato e
produto em função to tempo.
As diferenças são caracterizadas principalmente
pelas diferentes formas de adição do substrato
e dos nutrientes.
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Processo Descontínuo
Características principais:
Todos os nutrientes são adicionados ao biorreator antes do
início do processo, exceto O2, e outros produtos químicos
necessários para controle de pH e espuma.
O volume no decorrer da fermentação permanece
constante.
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Processo Descontínuo
Modo de operação:
» No instante inicial o meio de fermentação é inoculado e
incubado em condições adequadas;
» No decorrer da fermentação nada é adicionado, exceto
oxigênio (ar), antiespumante, ácido e base para controle de
pH;
» Terminada a fermentação descarrega-se o meio fermentado;
»O fermentador é então lavado, carregado novamente e
iniciado outro processo.
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Processo Descontínuo
Modo de operação:
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Processo Descontínuo
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Processo Descontínuo
Vantagens:
» Apresenta menor risco de contaminação (comparado ao
contínuo);
» Grande flexibilidade de operação, podendo-se usar os
fermentadores para a fabricação de diferentes produtos;
» Condições de controle mais estreitas da estabilidade
genética dos microrganismos.
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Processo Descontínuo
Desvantagens:
» Se o substrato exercer efeito de inibição, poderá
ocorrer baixos rendimentos e/ou produtividades.
» Apresenta “tempo morto”, tempo em que o fermentador
não está sendo usado no processo fermentativo
propriamente dito, como tempo de carga, descarga e
lavagem.
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Processo Descontínuo
Aplicações:
» É o mais utilizado na indústria de alimentos e bebidas,
como: iogurte, cerveja, vinho, picles, chucrute, etc.
» Permite o conhecimento básico da cinética de
fermentação, para que se possa propor alternativas de
condução de processo.
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Processo Descontínuo
Tipos de inóculo usados em processos descontínuos:
» Com um único inóculo por fermentação;
» Com reaproveitamento de células para o inóculo;
» Com inóculo por sistema de corte.
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Processo Descontínuo
Com um único inóculo por fermentação:
» Propagado a partir de uma cultura pura.
» Oferece poucos riscos de
contaminação.
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Processo Descontínuo
Com reaproveitamento de inóculo:
» É utilizado como inóculo as células da fermentação
anterior.
(para isso pode-se utilizar parte do meio de fermentação
ainda homogêneo, esperar que o microrganismo sedimente
no fermentador ou ainda centrifugar o meio fermentado).
» Há uma tendência em aumentar o número de
contaminação a cada fermentação.
» Técnica comum em destilaria de álcool.
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Processo Descontínuo
Com reaproveitamento de células para inóculo:
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Processo Descontínuo
Com inóculo por sistema de corte:
» O “corte” pode ser feito na fase exponencial, quando deseja-se
propagar inóculo, ou após o fim da fermentação.
»Inocula-se uma dorna, quando é atingido um estágio apropriado
de fermentação, passa-se parte do conteúdo para uma dorna
vazia, em seguida enche-se as duas dornas com meio.
» Pode levar a sérias quedas de rendimento.
» O controle do rendimento pode indicar quando deve-se
interromper os cortes e iniciar nova fermentação com novo
inóculo.
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Processo Descontínuo
Com inóculo por sistema de corte:
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Processo Descontínuo Alimentado
É definido como um modo de operação no
qual um ou mais nutrientes (incluindo substrato),
ou mesmo todos os nutrientes são adicionados
gradualmente durante o processo de
fermentação
e
os
produtos
formados
permanecem no meio até o tempo final.
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Processo Descontínuo Alimentado
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processo fermentativo
Processo Descontínuo Alimentado
- Com reaproveitamento de células.
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Processo Descontínuo Alimentado
Características principais:
» O volume varia durante o decorrer da fermentação
(embora possa ser pequena variação em alguns casos);
» A vazão de alimentação pode ser constante ou variar com
o tempo, e a adição de mosto pode ser contínua ou
intermitente.
» É possível controlar a concentração de substrato na
fermentação (podendo assim interferir no metabolismo
microbiano, levando a diferentes perfis de concentração não
só de substrato, mas também de células e produto).
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Processo Descontínuo Alimentado
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Processo Descontínuo Alimentado
Aplicações:
» Minimiza a repressão catabólica.
Minimização dos efeitos do controle do metabolismo
celular
(Exemplos: produção de determinados antibióticos como
neomicina, estreptomicina, bacitracina, sofrem repressão
pela presença de glicose em concentrações mais elevadas)
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Processo Descontínuo Alimentado
Aplicações:
» Prevenção da inibição por substrato.
Evita que elevadas concentrações de substrato causem
inibições da fermentação.
(Exemplos: concentração de glicose superiores a 100 g/L
podem causar inibição em fermentação alcoólica com
Saccharomyces cerevisiae).
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Processo Descontínuo Alimentado
Aplicações:
» Minimização da formação de produtos metabólicos
tóxicos.
(Exemplos: para E. coli, fonte de carbono em excesso,
mesmo em aerobiose, levam a formação de ácido acético,
inibidor do crescimento).
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Processo Descontínuo Alimentado
Aplicações:
» Superação de problemas frequentes de estabilidade em
processos contínuos.
(Exemplos: contaminação, mutação espontânea e
instabilidade de plasmídeos).
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Processo Descontínuo Alimentado
Aplicações:
» Adequação do processo fermentativo a condições
operacionais.
(Exemplos: com o aumento do tamanho das dornas usadas
nas fermentações alcoólicas, a formação de espuma
passou a ser um problema devido ao grande volume dos
fermentadores, entretanto, isso pode ser resolvido com a
operação em sistema descontínuo alimentado).
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Processo Descontínuo Alimentado
Aplicações:
» Estudo cinético de processos fermentativos.
O processo descontínuo alimentado permite:
- manter baixos níveis de substrato por longos períodos;
- manter a concentração celular constante.
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Processo Semicontínuo
O processo de fermentação é chamado semicontínuo
quando, uma vez colocado no fermentador o meio e o
inóculo, as operações que se seguem obedecerem à
seguinte ordem:
1º - Aguarda-se o término da fermentação;
2º - Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se no
fermentador o restante do mosto;
3º - Adiciona-se ao fermentador um volume de mosto igual
ao volume de meio fermentado retirado;
4º - Repete-se esta sequência.
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processo fermentativo
Processo Semicontínuo
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Processo Semicontínuo
Características principais:
» O meio fermentado não retirado do reator serve de
inóculo para a próxima fermentação.
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Processo Semicontínuo
No sistema Semicontínuo é utilizado como inóculo as células da
fermentação anterior que podem ser uma fração homogênea do
meio ou mesmo células separadas por sedimentação.
Um exemplo deste processo é o Melle-Boinot, usado em
fermentações alcoólicas.
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Processo Semicontínuo
Vantagens:
Possibilidade de operar o fermentador por longos períodos (às
vezes alguns meses) sem que seja necessário preparar um novo
inóculo.
Possibilidade de aumentar a produtividade do reator apenas
modificando a forma de operação.
Ex: processo de fermentação de cacau.
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Processo Contínuo
O processo de fermentação contínua caracteriza-se por
possuir uma alimentação constante de meio de cultura com
uma determinada vazão (constante), sendo o volume de
meio no reator, mantido inalterado através da retirada
contínua de caldo fermentado.
Pode ser operado por longos períodos de tempo em
estado estacionário.
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Processo Contínuo
Vantagens em relação ao descontínuo:
» Aumento da produtividade do processo;
» Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico;
» Maior uniformidade do processo;
» Possibilidade de associação com outras operações
contínuas na linha de produção;
» Menor necessidade de mão-de-obra.
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Processo Contínuo
Desvantagens em relação ao descontínuo:
» Maior investimento inicial;
» Possibilidade de ocorrência de mutação genética
espontânea (com consequente queda da produtividade);
» Maior possibilidade de contaminação;
» Dificuldade de manutenção da homogeneidade;
» Dificuldade de operação em estado estacionário em
determinados processos.
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Processo Contínuo
Aplicações:
A utilização do processo contínuo de fermentação
encontra grandes aplicações práticas, como: fermentação
alcoólica, tratamento de resíduos.
Estes casos citados são processos não assépticos.
Em processos em que se necessita de maior assepsia,
como produção de enzimas e antibióticos, o processo
contínuo encontra ainda aplicações restritas.
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Processo Contínuo
Formas de operação no sistema contínuo:
A operação inicia-se como um processo descontínuo e a
partir de um dado momento inicia-se a alimentação de
nutrientes e a retirada de meio fermentado.
Após um tempo o sistema convergirá ao estado
estacionário.
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Processo Contínuo
Formas de operação no sistema contínuo:
O sistema contínuo é extremamente versátil quanto as
suas várias possibilidades de operação, tais como:
Único
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Processo
contínuo
Múltiplos
estágios
Sem reciclo de células
Com reciclo de células
Com uma única
alimentação
Com múltiplas
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Com reciclo de células
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Processo Contínuo
Como o reator opera em
estado estacionário (não há
variação de X, S e P em
função do tempo), para um
dado processo fermentativo
X, S e P variam em função
da vazão específica de
alimentação D (F/V).
PX = D.P
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Processo Contínuo
A
concentração
celular
permanece
praticamente
constante em uma grande
faixa de valores de D.
As maiores produtividades
estão próximas de D=µmax ,
mas esta é uma condição
muito instável.
Por
isso
costuma-se
trabalhar com D em torno de
10 a 15% menor que µmax.