Problema
Pretende-se instalar uma fábrica para a produção de um novo antibiótico (20 Ton /ano),
a partir da biossíntese de um fungo. Em ensaios de optimização à escala piloto, a
fermentação prolonga-se por 220h com 5 períodos de “fed-batch”, descargas e cargas
parciais descontínuas (ver tabela 1), correspondentes entre 10 a 25% do volume útil do
fermentador (Vf) e, por fim, uma descarga total do meio de fermentação que se junta às
descargas parciais.
Tabela 1. Estratégia de “Fed-Batch” no fermentador da escala piloto.
Descarga
Volume
Concentração antibiótico
(-)
(g/m3)
1
0,1 Vf
200
2
0,2 Vf
400
3
0,2 Vf
600
4
0,25 Vf
800
5
0,25 Vf
1000
6
Vf
1400
Após o crescimento celular, procedeu-se à purificação do antibiótico com os seguintes
passos sequenciais (ver tabela 2), determinando-se no final de cada passo, o volume, as
concentrações de impurezas e de antibiótico por um método de HPLC específico. O
cristal de antibiótico, na forma de cloridrato, é obtido no último passo de purificação e
está com um grau de pureza elevado e requerido à qualidade imposta pela FDA para ser
exportada para USA e Japão principais mercados internacionais. O rendimento em cada
um dos restantes passos (filtração, secagem e embalagem) é de 98%.
Tabela 2. Volume, concentrações de impurezas e de antibiótico na fase liquida no final
de cada passo de isolamento, recuperação e purificação.
Operação
Volume
(l)
[Impurezas]
(g/m3 )
Concentração
antibiótico (g/m3)
Caldo de fermentação total
descarregado do fermentador
Meio de fermentação clarificado
com filtro rotativo de vácuo
Metil-IsopropilCetona (MIK) após
extracção a pH 8,0 e centrifugação
Águas mães após reextracção com
HCl 1,0M e cristalização
100,0
2050
???
130,0
1500
776
13,0
7200
7374
13,13
7130
4795
a) Qual a concentração de antibiótico recolhido no final da fermentação com base
nesta estratégia optimizada de “fed-Batch” (se não conseguir, admita 1000 g/m3
para prosseguir com os cálculos)?
b) Qual o rendimento global do bioprocesso de produção e purificação do novo
antibiótico à escala piloto?
c) Calcule e justifique o volume útil do(s) fermentador(es) a nível industrial
admitindo que o aumento de escala é fácil e reprodutível em relação aos valores
obtidos ao nível da escala piloto, o tempo necessário para proceder à limpeza,
carga e esterilização de outro “batch” é em média de 20h, considere 330 dias
úteis/ano e rendimento de fermentação de 99%.
d) Para um conjunto fixo de 3 passos de crescimento do inóculo em que o volume
corresponde respectivamente a 1, 5 e 10% do volume útil, qual o volume do
inóculo de arranque necessário ao nível laboratorial ou escala piloto para o
volume do fermentador industrial seleccionado no problema anterior?
e) Para uma relação altura líquido versus diâmetro do fermentador igual a 3,
calcule as características do fundo copado tipo “Klopperform” (tabela em anexo)
mais adequado e a altura de líquido efectiva no fermentador justificando as
opções de cálculo.
f) Calcule também o calor a remover do fermentador tendo em conta que o OUR
foi de 6,0 mmolO2/l.h e a potência do agitador (Pg/Vútil) é de 1 C.v./m3. Calcule
o caudal mássico de salmoura utilizado para um incremento de temperatura
máximo de 8ºC para manter a temperatura de fermentação constante (30ºC)
considerando que Cpsalm ~ 1 cal g-1 ºC-1.
g) Calcule a capacidade nominal da centrífuga de discos (dobro do caudal
operacional máximo necessário por batch) mais adequada (12, 18, 24, 30 e 36
m3/h) admitindo que o tempo da lavagem da centrífuga e estabilização antes de
voltar a processar o meio de clarificado de fermentação é 12 horas.
h) Qual o número do cristalizador industrial necessário(s) e a melhor estratégia de
cristalização sabendo que decorre durante 6-7 horas e estamos limitados a um
volume útil de 3,13 m3 uma vez que o cristalizador é em aço inox vitrificado
que exige grande investimento?
i) Qual o modelo de série do filtro de prensa que escolheria (capacidade de bolo
húmido de 100, 200, 300, 400 e 500 litros) sabendo que o volume do bolo
húmido de filtração tem cerca 50% humidade e densidade de 0,8? Qual o
volume de acetona usado na lavagem do bolo de filtração sabendo que se usa
cerca um volume equivalente a 3 volumes de bolo húmido?
Dados:
1 inch = 2,54 cm
Densidade do meio = 1,04
Pressão de esterilização (121ºC) = 29,722 psia
1 atm = 14,7 psi
10 m coluna de água ~ 1 atm
1 C.v. = 750 watt