FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
Processo adotado em 1973, o termo descontínuo alimentado foi
usado por Yoshida e colaboradores;
Geralmente um ou mais nutrientes, são adicionados, mais os
produtos permanecem até o final da fermentação;
A adição de mosto pode ser contínua ou intermitente, e o volume
de meio pode ou não alterar, dependendo do substrato e da
volatilidade do meio e condições de operação;
Como existe flexibilidade de alimentação da dorna, pode-se
priorizar a alimentação de determinado nutriente, focando a
produção de um determinado produto;
Geralmente, é um processo usado industrialmente após uma
série de experimentos de ajuste do sistema e dificilmente são
divulgado, por ser um segredo industrial
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
Aplicações:
Produção de proteína microbiana, glicerol, acetona, butanol,
ácido acético, em que ao adicionar um mais componentes
necessário ao metabolismo celular, resultava em melhor controle
do processo e maior eficiência;
Durante a reprodução um microrganismo eficiente é aquele que
não desperdiça energia, por exemplo não realizar superprodução
de um determinado produto, ou sintetizar uma enzima
desnecessária;
O emprego do sistema descontínuo alimentado pode contornar
alguns desses mecanismos;
Exemplo a glicose presente no meio, reprime a síntese de outras
enzimas relacionadas ao consumo de outros substratos;
O uso de baixa concentração de glicose pode liberar a sinteses
dessas outras enzimas, caso se deseje.
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
Com reaproveitamento de Células
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
Na produção de leveduras, mantém-se por alimentação baixos
teores de glicose para evitar que o consumo desse açúcar em
concentrações mais elevadas seja direcionado para a produção
de etanol;
Outro exemplo, durante a produção, a indução da protease se dá
quando ocorre a diminuição de nitrogênio no meio. Se o objetivo
é produzir uma proteína recombinante a saída é manter o meio
com concentração de nitrogênio adequada para evitar a indução
da protease;
Normalmente, as maiores velocidades de crescimento ocorrem
com valores de concentração de substrato no meio em
fermentação maiores que aqueles onde os efeitos de repressão
catabólica são minimizados. Desta forma sugere-se que o
processo fermentativo seja conduzidos em duas etapas:
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
1. Fornecer mais substrato para obter aumento de biomassa;
2. Diminuir o fornecimento de substrato de tal forma a limitar a
concentração de substrato e a velocidade de crescimento
celular, de modo que haja desrepressão e a enzima ou produto
desejado sejam produzidos;
Desta forma, em alguns processos fermentativos, principalmente
naqueles onde a formação de produto não seja associado ao
crescimento, o processo seja extendido, trabalhando por um
período maior com as células em condições onde ocorra a
produção do produto desejado.
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
I. Prevenção da inibição de substratos ou precursores:
O controle da vazão de alimentação, permite evitar o efeito
destes compostos;
II. Minimização da formação de produtos metabólicos tóxicos:
Geralmente quando há pouca produção de produto,
principalmente no caso em que se utiliza microrganismos
recombinantes ou células animais, o aumento do número de
células poderia compensar essa deficiência;
III. Superação de problemas frequentes de estabilidade que
podem ocorrer em sistema contínuo:
Contaminação, mutação e instabilidade de plasmídeo, são
comuns ocorrer num sistema contínuo, neste caso a aplicação
do processo descontínuo alimentado, poderia superar o
controle do processo
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
IV. Adequação do processo fermentativo a condições
operacionais:
No caso de produção de etanol, tanques com grandes volumes,
provocam intensa formação de espuma. Estudos iniciados por
Aquarone e colaboradores mostraram que a alimentação das
dornas com vazões decrescentes, aumentam a produtividade
em etanol e minimiza a formação de espuma, pois a velocidade
de adição de substrato é máxima no início, quando se tem
menores volumes de meio em fermentação e ainda não há
inibição por etanol e mínima no final da fase de enchimento;
Também no caso de fermentações muito longa o processo
descontínuo alimentado tem a vantagem de repor líquido
perdido por evaporação e também manter o nível de substrato
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
V. Cinética dos processos fermentativos em sistemas decontínuo
alimentado:
Devido a diversidade de aplicação dos processos fermentativos
em sistema descontínuo alimentado, ele podem ser
particularizados em grupos distintos:
a) Descontínuo alimentado repetitivo: de tempos em tempos
retira-se rapidamente um determinado volume de meio
fermentado que vai para separação do produto e
imediatamente recompões o volume com mosto com vazão
conveniente, sendo este procedimento repetido por várias
vezes, até que não se perceba diminuição da produtividade ou
rendimento do sistema. Este tipo de processo tem sido adotado
para a produção de leveduras e antibióticos.
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
V. Cinética dos processos fermentativos em sistemas decontínuo
alimentado:
a)
Descontínuo alimentado estendido: quando a concentração
de substrato limitante no meio é mantida constante, ou seja
mantem os níveis de concentração de substrato no meio
estendendo o período de fermentação.
O processo descontínuo alimentado pode ser dividido em 2
grupos:
1.
Adição de substrato ser ou não ser controlado por
retroalimentação:
1.1 Controlado por retroalimentação: o fornecimento de substrato
ao meio pode ser controlado em função da concentração
deste no meio de fermentação (controle direto)
1.2 Controlado por outros parâmetros, como pH, densidade
óptica, quociente respiratório etc, (controle indireto)
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
V. Cinética dos processos fermentativos em sistemas decontínuo
alimentado:
2. não ser controlado por retroalimentação:
2.1 suprimento de substrato feito de forma intermitente ou
ininterrupta até a fase de enchimento das dornas, com
vazões constantes ou variáveis;
Em todos os casos, o que visa é aumentar o rendimento ou
produtividade do processo.
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
VI. Modelos Matemáticos:
a)
Modelos para Células:
dM x  dM x 


dt
 dt c
dM x
  .V . X
dt
d (V . X )
  .V . X
dt
dV
dV
. X  .V  .V . X
dt
dt
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
VI. Modelos Matemáticos:
Considerando que o volume na dorna, deve-se somente a
alimentação
F.X 
dX
.V  .V . X
dt
F
dX
.X 
 . X
V
dt
F
se :  .X  rx e D 
V
dX
D. X 
 . X
dt
dX
 (   D). X
dt
Se não houver variação
de X no decorrer do
tempo, μ=D
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
VI. Modelos Matemáticos:
Modelo para o Substrato
dM sr
dM sc
 F .S m 
dt
dt
dM sc
d (V .S )
 F .S m 
dt
dt
dM sc
dV
dS
.S 
.V  F .S m 
dt
dt
dt
dX
 (   D). X
dt
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
VI. Modelos Matemáticos:
Modelo para o Substrato
S
dS F
1 dM sc
.F 
 .S m 
V
dt V
V dt
dS
D.S 
 D.S m  rs
dt
dS
 D( S m  S )  rs
dt
dS
1
 D( S m  S ) 
.rx
dt
Yx / s
rx
se : Yx/s 
rx
dS
1
 D( S m  S ) 
.. X
dt
Yx / s
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
VI. Modelos Matemáticos:
Modelo para o Produto
 dM p 

 
dt
 dt  c
dM p
d (V .P )
  p .V . X
dt
dV
dP
.P 
.V   p .V . X
dt
dt
dP
F .P 
.V   p .V . X
dt
Considerando que a variação de volume na
dorna, deve-se somente a alimentação
dP
D.P 
  p .X
dt
dP
  p . X  D.P
dt
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
Nomenclatura
D: vazão especifica de alimentação (h-1)
F: vazão volumétrica de alimentação (L/h)
Mp: massa de produto no fermentador (g)
Msc: massa de substrato consumido (g)
Msr: massa de substrato residual (g)
Mx: massa celular (g)
P: concentração de produto no fermentador (g/L)
rp: velocidade de formação de produto (g/L.h)
rs: velocidade consumo de substrato (g/L.h)
rx: velocidade de crescimento celular (g/L.h)
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
Nomenclatura
S: concentração de substrato residual no fermentador
(g/L)
Sm: concentração de substrato no mosto (g/L)
TE: tempo de enchimento do fermentador (h)
TF: tempo de fermentação (h)
V: volume do fermentador (L)
Vf: volume final de meio no fermentador (L)
X: concentração celular no fermentador (L)
μ: velocidade especifica de crescimento celular (h-1)
μp: velocidade específica de formação de produto (h-1)
Yx/s: fator de conversão de substrato em células (g/g)
FERMENTAÇÃO
DESCONTÍNUA ALIMENTADA
Nomenclatura
(dMp/dt): velocidade de variação de massa de produto (g/h)
(dMp/dt)c: velocidade de formação de produto (g/h)
(dMsc/dt): velocidade de consumo de substrato (g/h)
(dMsr/dt): velocidade de variação de massa de substrato residual
(g/h)
(dMx/dt): velocidade de variação de massa celular no fermentador
(g/h)
(dMx/dt)c: velocidade de crescimento celular (g/h)
(dP/dt): velocidade de variação da concentração de produto (g/L.h)
(dS/dt): velocidade de variação da concentração de substrato
residual (g/L.h)
(dV/dt): velocidade de variação de volume da dorna (L/h)
(dX/dt): velocidade de variação da concentração celular (g/L.h)
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
Este tipo de processo ocorre quando as
seguintes operações forem realizadas:
1. Aguarda-se o termino da fermentação em
descontínuo;
2. Retira-se parte do meio fermentado,
mantendo-se no reator o restante do mosto
fermentado;
3. Adiciona-se ao reator o mesmo volume de
meio de fermentação que o volume de meio
retirado.
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
Características principais:
» O meio fermentado não retirado do reator serve de
inóculo para a próxima fermentação.
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
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.
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
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.
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
Em alguns casos, o volume de meio retirado na
operação 2, é submetido a centrifugação para o
reaproveitamento dos microrganismos ali existentes;
PRODUTIVIDADE NO SISTEMA SEMICONTÍNUO
Seja V o volume de meio inoculado existente no
fermentador e já completamente fermentado
(operação 1)
Seja α.V o volume de mosto fermentado retirado do
fermentador (0<α<1) (operação 2)
Resta saber de que maneira α afeta a produtividade
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
S0: concentração de substrato limitante
N0: concentração de outro nutriente importante para
atividade vital do microrganismo
Pf: concentração do produto no meio fermentado
Nf: conentração, no meio fermentado, do outro
nutriente importante
Xf: concentração celular no meio fermentado
Se na operação 2, o volume de meio retirado é α.V,
então o volume de meio que permaneceu no
fermentador é (1-α).V
Consequentemente, na operação 3, serão
misturados o volume (1-α).V + α.V do novo meio
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
Desta forma, então, pode se calcular na mistura
resultante:
Si: concentração do substrato principal:
S0.α.V=Si.V, então: Si =α.So;
Concentração do outro nutriente:
N0.α.V +Nf(1-α).V=Ni.V, então:Ni=α.N0+(1-α)Nf
Concentração microbiana (Xi) admitindo-se que não
houve retorno de microrganismo no reator
Xf(1-α)V=Xi.V, então: Xi=(1-α)Xf
Concentração do produto
Pf(1-α)V=Pi.V, então: Pi=(1-α)Pf

FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
Portanto, o tempo para completar a fermentação da
mistura resultante, depende:
Do valor de Xi, porque quanto maior for a concentração
celular inicial, menor será o tempo de fermentação;
Do valor de Si, porque quanto maior for a concentração
inicial de substrato, maior será o tempo necessário para
sua tranformação em produto;
Do valor de Ni, porque se a concentração inicial do outro
nutriente não for adequada, as células trabalharão mais
lentamente;
Do valor de Pi, porque o produto da fermentação é muito
frequentemente, um inibidor, o que pode aumentar o
tempo de fermentação completa.
FERMENTAÇÃO SEMICONTÍNUA
Duas situações particulares, devem ser comentadas para
este tipo de fermentação:
1. se α=1, isto é, na operação 2, retirar todo o meio
fermentado, e substituir por um novo meio, não haverá
tranformação, porque não haverá celulas suficientes para
servirem de inóculo, portanto a produtividade será núla;
Se α tender a 0 (zero) , o volume de meio fermentado
retirado do fermentador, na operação 2, será muito
pequeno, e o processo semicontínuo se aproximará no
processo contínuo.
OBTENÇÃO DE CERVEJA
SUPERCONCENTRADA COM A UTILIZAÇÃO DE
MILHO COMO ADJUNTO DE MALTE EM PROCESSO
DESCONTÍNUO ALIMENTADO
Balling descobriu em 1843, que:
2,0665 g de extrato no mosto
cervejeiro, gera:
1 g de álcool
0,9565g de CO2
0,1186 g de leveduras;
Portanto rendimento de:
1/2,0665=0,4839
Xf = mf x 01186
Xf70/30 =810,9x0,1186=96,17g
Xf70/30=171,33x0,0086=2032g
Xf55/45=967,9x0,1186=114,8g
Xf55/45=19795,1x0,1186=2347,7g
Yp/s= ΔP/-ΔS
XP/S70/30 =7,35/23,01-7,5=0,4739g/g
XP/S70/30=7,55/24,31-8,34=0,0,4728g/g
XP/S55/45=8,68/27,51-9,22=0,4746g/g
XP/S55/45=8,94/28,13-9,4=0,4773g/g
Eficiência= YP/Sx100/0,4839
E70/30 =0,4739x100/0,4839=97,93%
E70/30=0,4728x100/0,4839=97,70%
E55/45=0,4746x100/0,4839=98,07%
E55/45=0,4773x100/0,4839=98,74%
O processo aumentou a produtividade em
228% na relação 70/30 e em 268% na relação
55/45.