SEPARAÇÃO E RECUPERAÇÃO DE
BIOPRODUTOS
Há uma grande variedade de produtos biotecnológicos,
os quais podemos agrupar em três principais categorias:
Insumos químicos e biomoléculas
Álcoois
Polímeros
Ácidos orgânicos Vitaminas
Solventes
Aminoácidos
Antibióticos
Enzimas
Hormônios
Poliésteres
Enfoque
do curso
Alimentos
Bebidas alcoólicas
Leites fermentados
Pão
Queijos
Vegetais fermentados
Microrganismos
Inóculo para processos fermentativos
Microrganismos fixadores de nitrogênio
Microrganismos para controle biológico
Vacinas
Probióticos
Exemplos de enzimas
Protease de Bacillus
Amilase de Bacillus
Glicoamilase
Glicose-isomerase
Renina microbiana
-amilase
Amilase fúngica
-glicosidase
Urease
Glicose oxidase
Invertase
Lisozima
Penicilina acilase
Lactase
Lipase
Xilanase
Celulase
Ligninase
É importante observar a escala de aplicação dos
diversos métodos de separação e purificação de
produtos biotecnológicos:
• Escala de laboratório, normalmente para produtos
destinados a estudos acadêmicos e produtos de
aplicações específicas
• Escala industrial, quando se busca a obtenção de
grandes quantidades de produto para fins comerciais
Outras observações
• Alguns procedimentos
laboratório
são
viáveis
apenas
em
• O grau de pureza a ser atingido depende da aplicação
a que se destina o produto
• Para a escolha das técnicas deve-se considerar o seu
custo, o rendimento, a pureza desejada, a produtividade
Para a definição de um processo de
recuperação, as seguintes questões devem ser
respondidas de forma quantitativa:
• Qual a composição e as condições do meio
de alimentação (meio fermentado)?
• Quais as características do produto final?
• Qual a quantidade que deve ser processada?
• Qual a capacidade de um determinado
equipamento?
As etapas do processo fermentativo até o final da fermentação
são denominadas linha ascendente ou “up stream” e a etapa
de recuperação é chamada linha descendente ou “down
stream”
Definição: Separação do produto do meio fermentado,
colocando-o na forma mais pura possível para a aplicação a
que se destina.
Considerações:
A etapa de recuperação de produto começa após a
determinação correta do final da fermentação.
Esta deve levar em conta o máximo da produção técnica e a
máxima produção econômica.
O produto de interesse pode estar no interior da célula ou no
meio fermentado.
- Não existe um procedimento único de
recuperação de produto,
- Cada processo apresenta suas peculiaridades
devido às características específicas dos
diferentes produtos e dos microrganismos.
Operações básicas:
1. Separação das células ou fragmentos (microrganismo)
2. Rompimento celular (quando o produto de interesse é
intracelular, há exceções)
3. Concentração
4. Separação do produto propriamente dita
5. Purificação
1. Emprega as operações unitárias de separação sólidolíquido, a saber, sobretudo centrifugação e filtração.
2. Para liberar os produtos intracelulares a parede celular
deve ser rompida. Há uma variedade de métodos de
rompimento.
- Os métodos de rompimento podem ser:
Mecânicos : - Moagem úmida
- Homogeneização a alta pressão
- Extrusão por pressão
- Sonificação
Não Mecânicos: - Químico (ácidos, bases, solventes)
- Físico (p.e. choque osmótico)
- Enzimático (p.e. enzimas de lise)
- Etapa utilizada sobretudo para recuperação de proteínas e
enzimas.
1. Emprega as operações unitárias de separação sólidolíquido, a saber, sobretudo centrifugação e filtração.
2. Para liberar os produtos intracelulares a parede celular
deve ser rompida.
3. A concentração de vários produtos de fermentação deve
ser aumentada para que o processo de separação
propriamente dito seja viável técnica e economicamente.
Normalmente esta etapa é realizada em concentradores à
vácuo, que permitem a evaporação a baixas
temperaturas, evitando danos ao produto.
4. A separação do produto é feita por precipitação e/ou
cristalização, seguidas de centrifugação ou filtração,
para produtos obtidos na forma sólida.
Para produtos na forma líquida utiliza-se a destilação,
extração líquido-líquido e “salting-out”, entre outras.
5. Predominantemente cromatografia (em suas diversas
modalidades). Também membranas.
Centrifugação
Corresponde a uma etapa denominada de clarificação
Princípio de separação: diferença de densidade (também
tamanho de partícula e viscosidade)
Principais tipos de centrífuga
- tubular (a)
- câmara (b)
- disco (c)
- rolo (d)
Escala de laboratório: centrífugas de tubos e/ou frascos
Alguns tipos de centrífuga
a) Tubular; b) Câmara;
c) Disco;
d) Rolo
Centrífuga
tubular de alta
velocidade
Centrífuga Tubular
1500L/h
Centrífuga de rolo (decanter)
https://www.youtube.com/watch?v=FhS5vN4r5LA
https://www.youtube.com/watch?v=3HVvMJh6xfo
Obs. : Ultracentrífugas operam descontinuamente e normalmente
têm baixa capacidade de processamento
O fluxo volumétrico de alimentação para uma centrífuga pode
ser determinado pela expressão:
Q = d2 . . g. . A
18 
Onde:
Q é o fluxo volumétrico de alimentação
 é a diferença de densidade (dens. Sólido – dens. do líquido)
g é a aceleração da gravidade
d é o diâmetro da partícula
 é o fator de aceleração
A é o equivalente de área do rotor
 é a viscosidade dinâmica do líquido
Fatores de aceleração das centrífugas mais comuns
Ultracentrífugas
105 – 106 x g
Centrífugas tubulares
13000 – 17000 x g
Centrífugas de câmara
6000 - 11000 x g
Centrífugas de disco
5000 - 15000 x g
Centrífugas de rolo
1500 – 4500 x g
Critério para ampliação: Fator de aceleração . tempo ==> . t
Se uma separação satisfatória é atingida com 3000xg
durante 5 minutos, o mesmo resultado pode ser alcançado
com 1500xg e 10 minutos, em escala industrial.
Avaliação da centrifugação: compactação do sedimento e
turbidez do sobrenadante
Cálculo de “g”:
N2 . R
g=
89500
Onde:
N é a velocidade ou frequência de rotação do eixo (rpm)
R é o raio da circunferência (cm)
Raio: distância entre o centro do eixo e o fundo do tubo
Exemplo de aplicação para centrífuga
Uma determinada indústria apresenta uma produção de meio
fermentado igual a 180 m3/dia. Considerando as características do
meio e da centrífuga a ser empregada, quantas unidades deste
equipamento você solicitaria ao departamento de compras da
empresa, de modo a garantir a separação das células do meio de
fermentação, sem risco de parar a produção?
• Dados:
Densidade do sólido = 1000 kg/m3
•
Densidade do líquido = 900 kg/m3
Diâmetro da partícula = 0,01 mm
fator de aceleração = 8000
Equivalente de área = 0,10 m2
visc.do líquido = 10-2 kg/m.s
Q = d2 .  . g .  . A
18 . 
Filtração Convencional
Princípio de separação: tamanho da partícula (também forma e
compressibilidade do material).
A suspensão, sob pressão, é perpendicularmente direcionada a
um meio filtrante (filtração convencional).
Aplica-se a suspensões diluídas de células.
“A fração volumétrica que atravessa o meio filtrante é
denominada filtrado e da deposição contínua das células sobre o
meio filtrante resulta a formação de uma torta de filtração.”
Ao contrário da centrifugação, a filtração não depende da
diferença de densidade.
Alguns tipos de filtro: 1. Rotatório (mais adequado para meios
biológicos, pois não é afetado pela compressibilidade da torta)
2. De pressão
3. Folha (disco) horizontal
Esquema de um Filtro Rotatório
Esquema de um Filtro Rotatório
Esquema de um Filtro de Pressão
Foto de um filtro prensa para extração de
azeite de oliva.
Foto de um filtro prensa para extração de
azeite de oliva (em operação).
Esquema de um Filtro de Disco Horizontal
Fatores que influenciam a velocidade de filtração
- permeabilidade de leito
- área de filtração
- viscosidade do líquido
- espessura do leito
- resistência do leito de filtração
- compressibilidade da torta
- concentração celular do líquido
- diferença de pressão através do leito
- const. relacionada a tamanho e forma das células
(K)
(A)
()
(L)
(L/K)
(S)
(X)
(P)
(’)
O tempo (t) necessário para a filtração de um volume V
de suspensão contendo células sujeitas à compressibilidade, sob uma determinada pressão e através de uma
área A é dado por:
 . ’ . X V2
t=
2 . P(1-S) A2
Obs.: - S varia de 0 a 1,0
- Tortas de células microbianas podem ter S de até 0,8
- Para tortas rígidas, S = 0
Esquema geral do processo fermentativo
Preparo do meio
-tratamento da matéria-prima
- mistura de nutrientes
-ajuste de pH
- tratamento térmico
Linha descendente
Processos à
jusante
“downstream”
Preparo de inóculo
(microrganismo)
Fermentação
propriamente dita
Esterilização
Ar
Linha ascendente
(BIORREATOR)
Recuperação do
produto
Processos à
montante
“upstream”
Recuperação de butanodiol
1- Destilação
2- Extração líquido-líquido
3- “Salting-out”
4- Conversão no próprio meio
1- Filtração, concentração, evaporação e condensação
2- Filtração, concentração, extração (butanol, éter dietílico,
álcool butílico)
3- Filtração, adição do sal, separação de fases
4- Filtração, reações químicas (transformação no produto
de interesse), extração