Apostila Processos Industrias Orgânicos CAp. 7 - industria de biotecnologia

Apostila Processos Industrias Orgânicos CAp. 7 - industria de biotecnologia

(Parte 1 de 5)

Processos Industriais Orgânicos

Profa. Caridad Noda Pérez Página 154

Tema 7. Indústria da biotecnologia 1. Introdução 2. Processos de conversão 2.1. Introdução 2.2. Modos de operação 2.3. Tipos de reatores 2.4. Esterilização 3. Tecnologia de fermentação – biomassa celular (fundamentos da produção de leveduras) 3.1. Processo 3.2. Equipamentos de cultivo 3.3. Processamento 4. Tecnologia de fermentação – produtos metabólicos (biomassa como fonte de energia renovável) 4.1. Etanol 4.2. Biogás 5. Aplicação ambiental – tratamento de águas residuais 5.1. Introdução 5.2. Processos 5.3. Processos de tratamento biológicos 6. Tecnologia de enzimas – transformação por bio-catálise 6.1. Aspectos gerais 6.2. Produção de L-aminoácidos 6.3. Produção de edulcorantes artificiais

1. Introdução

A biotecnologia é uma disciplina nova e velha. Existem relatos da produção de cervejas e vinhos desde o ano 6000 a.C., mas o estado da arte tem mudado muito nas últimas décadas. Dentro da biotecnologia estão disciplinas como: microbiologia, bioquímica, biologia celular e genética. Na engenharia química a bioengenharia inclui cinética, fenômenos de transporte, projeto de reatores e operações unitárias. A biotecnologia fez possível a produção de novas drogas e o desenvolvimento da terapia genética para doenças que se presumiam incuráveis. Na produção de químicos a biotecnologia ainda não joga um papel importante, exceto na solução de problemas ambientais, sendo o tratamento de água o exemplo mais importante. É interessante observar que o setor da biotecnologia industrial está mais voltado para a genética, principalmente na modificação genética por DNA recombinante e nas técnicas de fusão celular. Na biotecnologia as áreas desenvolvidas foram à produção de cervejas e a purificação de água. A indústria biotecnológica poderia estar baseada em materiais renováveis e recicláveis e poderia se adaptar às necessidades da sociedade onde a energia está se tornando cara e escassa. A biotecnologia pode jogar um rol importante na redução do efeito estufa e em termos gerais, na realidade de uma sociedade sustentável. Mas, apesar da biotecnologia ser considerada uma tecnologia limpa, uma crítica está em vigor, os resíduos produzidos durante a produção e a destruição dos biocatalisadores causam problemas ambientais consideráveis. Os produtos dos processos biotecnológicos são: - biomassa celular, como células únicas de proteína

- produtos metabólicos das células

- anaeróbicos: álcool, ácidos orgânicos, hidrogênio, dióxido de carbono

- aeróbicos: citrato, glutamato, lactato, antibióticos, hidrocarbonetos, polissacarídeos

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- produtos de reações catalisadas por enzimas, todos os tipos de reações químicas podem ser catalisadas por enzimas. Em geral, e a biotecnologia não é uma exceção, o custo da produção decresce com o incremento da taxa de produção. Na Figura 1 se apresenta o desenvolvimento do custo de produção da penicilina com o tempo. Na Tabela 1 se apresenta uma visão geral de alguns produtos e seus preços.

C u st o d e pro d u çã

Ano Figura 1. Desenvolvimento histórico do custo de produção da penicilina.

Tabela 1. Visão geral dos produtos biotecnológicos, seus custos e capacidades de produção.

Produto Preço aproximado ($/kg)

Produção mundial aproximada (kg/a)

1 Dados em 1992, 2 custo de produção estimado para 1995, o preço do mercado pode ser até 100 vezes maior, 3 produtos petroquímicos.

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2. Processos de conversão 2.1. Introdução

Para crescer ou produzir produtos metabólicos os microorganismos necessitam de uma fonte de carbono (substrato), energia, nitrogênio, minerais, traços de elementos e vitaminas. O substrato pode ser polissacarídeo, hidrocarboneto, álcool ou materiais complexos como o melaço, a celulose e intermediários farmacêuticos. As fontes de nitrogênio são amônia, uréia e aminoácidos. Os minerais são sais orgânicos como fosfatos, sulfatos e cloretos. Os elementos em traços mais importantes são K, Na, Mg, Ca, Fe, Co e Zn. Adicionalmente, os organismos aeróbicos necessitam de oxigênio para crescer. As bio-transformações podem acontecer por uma célula completa (células de plantas ou animais) ou por partes das células, em particular enzimas isoladas, as enzimas são biocatalisadores. Apesar das características serem ditadas pelo microorganismo em si, elas podem ser modificadas como é o caso da técnica de DNA recombinante.

2.2. Modos de operação

Os bioreatores são operados em sistemas em batelada ou em semi-batelada com respeito ao substrato, mas sistemas contínuos também são usados. Em uma operação em batelada o reator é carregado com o meio de cultivo e inoculado com o microorganismo. Durante a fermentação os componentes do meio (fontes de C, nutrientes e vitaminas) são consumidos, entanto que a biomassa cresce e/ou o produto é formado. A principal desvantagem dos sistemas em batelada são os tempos não produtivos usados nas operações de carga, esterilização, descarga e limpeza do reator. Neste caso um reator contínuo poderia ser desejado. Durante a operação contínua, o meio de cultivo é alimentado continuamente ao reator, onde é convertido, e a biomassa e os produtos são continuamente removidos. Apesar de a operação contínua oferecer várias vantagens sobre a operação em batelada, esta não é usada freqüentemente na fermentação. Muitas vezes os volumes de produção são muito pequenos para justificar a construção de uma planta continua ou somente cadeias estáveis de organismos podem ser usadas devido ao alto risco de mutação e contaminação. Alguns produtos biotecnológicos são produzidos em instalações continuas como os xaropes de frutose de milho, proteínas de célula única, cervejas e iogurte, todos com volume de produção relativamente alto. Alguns processos contínuos foram parados por razões econômicas ou por uma combinação de razoes (cerveja). No caso da cerveja não é possível efetuar continuamente o processo de descarga por varias razões. A operação semi-contínua é uma combinação da operação em batelada com a contínua. Nesta operação, após começar a fermentação, o substrato e outros componentes são alimentados continuamente ou em varias etapas. Esta operação possibilita um melhor controle do processo. Por exemplo, na produção de levedura de pão, o açúcar deve ser adicionado gradualmente para prevenir a formação de álcool, o que poderia acontecer com uma concentração elevada de açúcar. O sistema descontínuo alimentado é mais recente. Em sistemas descontínuos alimentados se aplica a retirada periódica de 10-60% do volume. Outra estratégia mais sofisticada do sistema descontínuo alimentado é o sistema de retenção de células; as células são retidas no reator entanto que o líquido que contém o produto ou os componentes que são tóxicos às células é removido continuamente. Isto se realiza reciclando parte do conteúdo do reator através de uma membrana que separa as células do líquido.

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2.3. Tipos de reatores

Na indústria química são usados vários tipos de reatores e suas variações. Os sistemas para as reações de fermentação quase sempre são em múltiplas fases, compreendendo uma fase gasosa que contém O2 e/ou N2, uma ou mais fases líquidas e uma fase sólida que inclui os microorganismos. Uma distinção pode ser feita baseada na forma de contato dos microorganismos com o substrato e o ar (reatores aeróbicos), entre os reatores quando os microorganismos são móveis ou estão fixos. Nos processos aeróbicos, os fatores mais importantes do projeto de reatores são a área de contato entre os microorganismos e o líquido ao seu redor e a taxa de difusão do oxigênio. Em tecnologia de processos químicos a primeira classe se conhece como reatores agitados ou em certos casos como reatores de leito fluidizado ou de leito borbulhante. Em biotecnologia se usa o termo de reatores agitados. A segunda classe que inclui os reatores de leito fixos que em biotecnologia são chamados de reatores superficiais. Nos reatores superficiais ou a cultura se adere à superfície do sólido que está sendo continuamente fornecido com ar e substrato, ou a cultura flutua como micélio (um tipo de rede de fios) no substrato. Os reatores superficiais foram usados primeiro do que os submergidos. A pesar de eles serem muito convenientes na pratica, atualmente os reatores superficiais não são muito usados. Contudo, o incremento do uso de células e enzimas imobilizadas tem revivido o interesse pelos reatores superficiais, principalmente no tratamento de águas residuais. Desde o ponto de vista de engenharia, os reatores para os processos biotecnológicos e químicos são similares. Contudo, as propriedades específicas do meio e a tradição industrial muito diferente justificam a separação da discussão dos bioreatores.

2.3.1. Reatores agitados

Na Figura 2 se apresentam as três classes mais representativas dos reatores agitados (em batelada). A maior diferença entre eles está na forma como são misturados. Para os processos aeróbicos é importante uma boa mistura para garantir uma boa transferência de oxigênio da fase gasosa para a líquida e evitar a ocorrência de regiões anaeróbicas. A energia nestes reatores é fornecida por: - agitação mecânica: um reator tipo tanque agitado mecanicamente;

- convecção forçada do líquido: reator de jacto de ar,

- operação usando ar pressurizado: reatores de coluna de bolhas e de ar ascendente

Figura 2. Reatores agitados

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Reator tipo tanque agitado.

A agitação mecânica é a mais usada na fermentação industrial, a pesar de não ser a melhor solução. O reator é um tanque cilíndrico agitado com relação altura/diâmetro de 1 a 3 para evitar espaços vazios para a formação de vórtices. O reator é preenchido até 2/3 do volume para evitar a formação de espuma, que é um dos problemas mais importantes na maioria dos processos de fermentação. Um quebrador de espuma pode ser incorporado na saída dos gases residuais, adição de ar e de agentes anti-espumantes também pode ser usada. A mistura se consegue por um impulsor mecânico equipado com um ou mais agitadores. Uma camisa interna ou externa proporciona a área necessária para o esfriamento ou aquecimento do conteúdo do reator. Em alguns casos este tipo de reatores não é favorável. No escalado os principais problemas são com a transferência de calor e massa e particularmente a transferência de oxigênio. Existem casos no quais a potência requerida do impulsor é tão grande que um simples agitador mecânico não seria prático ou ainda impossível. Estes problemas se tornam mais severos com fluidos muito viscosos ou não newtonianos. Além disso, a biomassa poderia sofrer um corte muito alto.

Reator de jacto de ar

Neste reator o gás é disperso por uma corrente líquida descendente, o jacto se cria em uma agulha ou ranhura localizada perto da superfície do líquido. Na parte mais estreita da agulha a velocidade do líquido aumenta entre 8 e 12 m/s. O jacto entra no seio do gás, afetando a superfície, quebrando-a e penetrando no volume do líquido. O jacto existe enquanto está rodeado de gás. A desagregação do manto conduz à formação de pequenas bolhas, as quais se movem em várias direções no líquido. Estes reatores são usados principalmente para melhorar a transferência de massa e calor. Um trocador de calor pode ser facilmente incorporado num laço externo, o que permite o controle independente da transferência de massa e de calor. Outras vantagens quando comparado com o reator agitado são que requerem uma potência menor para transferir a mesma quantidade de oxigênio, são mais fáceis de escalar e podem ser usados em reatores maiores. Apesar disto, o uso mais importante de estes reatores ainda é no tratamento de águas residuais, mas também são usados em grande escala na produção de leveduras e de proteínas de célula única.

Reatores de coluna de bolhas e de ar ascendente

O princípio de ambos os reatores é que a mistura acontece somente pela dispersão do ar pressurizado dentro do reator. O reator de coluna de bolhas é o tipo mais simples e se caracteriza por uma alta relação altura/diâmetro. A dispersão do ar no fundo do reator resulta na maioria dos casos em uma boa mistura. O reator de ar ascendente é similar ao de coluna de bolhas, mas tem um dispositivo adicional para controlar o fluxo de líquido total. A circulação do líquido é devida à diferença de densidade da mistura gás-líquido na secção areada e na região do fundo do reator. O ar é distribuído no fundo do reator e no seu movimento ascendente arrasta o líquido. No topo da coluna a maioria das bolhas é separada, resultando em uma densidade aparente maior da mistura que desce. As vantagens deste tipo de reator sobre os agitados são sua simplicidade mecânica, facilidade de escalado e melhor mistura, possibilitando seu uso em reatores maiores. Por outro lado, os custos de energia e investimento são maiores. Os reatores de coluna de bolhas são usados na produção de cervejas e vinagre. Os reatores de ar ascendentes são usados na produção de proteínas de célula única pela Hoechst e a ICI.

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Reatores de ar ascendente com separação interna e recirculação de biomassa (reatores de biofilmes suspensos de ar ascendente) também são aplicados no tratamento aeróbico de águas residuais.

2.3.2. Reatores superficiais

A Figura 3 mostra os três tipos de reatores superficiais, conhecidos também como reatores de biofilme. - reator de bandejas

- reator de leito gotejador

- reator de leito fluidizado (trifásico)

Figura 3. Reatores superficiais

Reator de bandejas

Este é um reator superficial clássico. O substrato flui desde o topo até o fundo passado de uma a outra bandeja. A aplicação de este tipo de reator está limitada ao cultivo de células e na produção de ácido cítrico.

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