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Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências Agrárias
Departamento de Tecnologia de Alimentos
Fermentação Contínua e Fermentação Descontínua
Aluno: Rafael Audino Zambelli
Curso: Engenharia de Alimentos
Disciplina: Enzimologia e Tecnologia das Fermentações
Professora: Ana Alice da Silva Xavier
Fortaleza, 02 de Março de 2010.
Capítulo 09 – Fermentação Descontínua
A fermentação descontínua ou fermentação em batelada é em termos de biotecnologia industrial, um processo fermentativo que é caracterizado pela inoculação e incubação de microrganismos de modo que forneça condições ótimas para a fermentação. É a mais utilizada atualmente na obtenção de produtos fermentados, tais como cerveja, vinho, iogurte e picles. O modo de operação é dividido em 3 partes:
A solução nutriente esterilizada é inoculada com o microrganismo desejado de modo que permita a fermentação em boas condições.
Durante o processo fermentativo, apenas o oxigênio (O2) é adicionado (em processos aeróbicos), antiespumante e ácido ou base também são adicionados para efetuarem o controle do pH. (Evitando a morte dos microrganismos).
O fim da fermentação é obtido e ocorre o descarregamento da dorna e o fermentado segue para tratamentos finais.
Esta dorna deve ser lavada e esterilizada após a sua utilização para posterior carregamento com o mosto e o inoculo. Uma das principais características da fermentação descontínua é o seu volume que permanece constante, tendo em vista que não há adição de soluções para o controle do processo e nem perdas de material por evaporação. A adição total do substrato pode ocasionar um baixo rendimento fermentativo, pois pode gerar efeitos de inibição e produtos metabólicos não desejáveis no processo fermentativo. Uma das principais vantagens da fermentação descontínua é os menores riscos de contaminação e permite grande flexibilidade de operação (ou seja, a fabricação de vários produtos).
Inóculo
O inóculo é o volume de suspensão de microrganismos capaz de garantir a eficiência do processo fermentativo. Para manter-se um inoculo com uma qualidade satisfatória algumas técnicas são utilizadas: secagem dos microrganismos em terra, areia, sílica, em Agar inclinado e remoção de água de células ou esporos através do processo de liofilização. Um dos pontos muito importantes também é o fornecimento de ar ao sistema fermentativo, ele deve ser rigidamente esterilizado de modo que não permita a contaminação do processo.
Mosto
O mosto é o meio de cultura onde os microrganismos são inseridos, ele deve possuir os nutrientes necessários para o crescimento de células, o mosto também deve propiciar a formação dos produtos desejados do processo de fermentação. Alguns substratos ou matérias-primas possíveis para utilização em mosto são: açúcar, melaços, soro de leite, metanol, óleos, gorduras, celulose e amido.
Classificação
Os processos de fermentação descontínua podem ser classificados de três formas diferentes: a dorna recebe o inoculo, processos com recirculação de microrganismos e processo por meio de cortes.
O primeiro consiste na inoculação de uma dorna com um microrganismo que foi propagado a partir de uma cultura pura, é indicado quando o meio de cultura é rico e o microrganismo é susceptível a contaminação. O segundo é o reaproveitamento como inoculo o microrganismo da batelada anterior, aguarda-se que o microrganismo sedimente-se no fermentador (é comum nas cervejarias), no entanto, a cada batelada há a tendência do aumento do número de agentes contaminantes do processo. E o terceiro, inocula-se em uma dorna (chamada de dorna A), quando a fermentação atinge um estado apropriado transfere-se parte do conteúdo para um outro fermentador que está vazio (dorna B), a sucessão de cortes (transferência de parte do inoculo) pode acarretar sérias quedas no rendimento, principalmente quando se trabalha em um meio esterilizado.
Número de dornas
É sabido que processos industriais são direcionados para que obtenham um baixo custo operacional, no entanto, entra-se em choque com a necessidade de produção da indústria. Também é sabido que um fermentador possui um custo elevado, então há um conflito: capacidade industrial x custo operacional. O presente livro (Biotecnologia Industrial, volume 2) fornece uma sugestão para cálculo do número de dornas. Os fermentadores podem variar de tamanho (volume) de acordo com os produtos que ele fornece.
VOLUME DO FERMENTADOR (m³)
PRODUTO
1 – 20
Enzimas de diagnóstico, substâncias para biologia molecular.
40 – 80
Algumas enzimas e antibióticos.
100 – 150
Penicilina, antibióticos aminoglicosídicos, amilases, proteases e etc.
450
Aminoácidos derivados do ácido glutâmico
Capítulo 12 – Fermentação Contínua
A fermentação contínua caracteriza-se por uma alimentação de forma contínua de meio de cultura a uma dada vazão constante, o volume da reação deve ser mantido constante através da retirada sistemática de caldo fermentado, a manutenção deste volume é vital para que o sistema atinja a condição de "estágio estacionário" ("Steady state"), onde, neste estado, as variáveis do processo (concentração de células, de substrato limitante e produto) são constantes. Portanto, este tipo de fermentação permite a operação do sistema durante longos períodos de tempo no seu estado estacionário, que proporciona algumas vantagens. O sistema de manutenção do volume constante é determinado por transbordamento ("ladrão"), podendo ou não ser instaladas bombas de alta vazão na saída dos fermentadores.
Um dos grandes problemas enfrentados em processos aerados é a grande formação de espumas, que podem prejudicar o processo fermentativo alterando o volume, para isto, basta a utilização de antiespumantes, semelhante ao processo de fermentação descontínua, há também a possibilidade de ação mecânica para a quebra das espumas formadas, em fermentadores grandes esses problemas são minimizados, contudo, em fermentadores de pequena escala podem tornar-se problemas críticos, sendo de vital importância este controle da vazão e de retirada do caldo fermentado.
Como todo processo, envolve vantagens e desvantagens, iremos aqui, comparar o processo contínuo com o descontínuo. As vantagens são:
Aumento da produtividade do processo, reduzindo os tempos "mortos" (não-produtivos).
Obtenção de caldo fermentado uniforme.
Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, o que proporciona um forte estudo para a otimização dos processos.
Menor necessidade de mão-de-obra.
Maior facilidade no emprego de mecanismos de controle avançados.
No entanto, há algumas desvantagens:
Maior investimento inicial de planta operacional.
Podem ocorrer mutações gênicas espontâneas.
Maior possibilidade de contaminação devido ser um sistema aberto.
Dificuldade de manter a homogeneidade do reator em baixas vazões e dificuldade de operação no estado estacionário devido as variáveis de processo.
Mesmo com estas desvantagens, este processo é muito utilização na fermentação alcoólica, em escala industrial, utiliza-se da reciclagem de células, ou seja, um processo contínuo em múltiplos estágios, permitindo a obtenção de elevados rendimentos e grande produtividade. Outro ponto importante é a possibilidade do tratamento de resíduos gerados pelo processo através de reatores de fluxo ascendente do tipo UASB, muito utilizados em fábricas de cerveja e refrigerantes; há de ser lembrado também, que, em escala industrial, por serem reatores grandes, os processos são não assépticos.
Onde:
X = células / P = produto / S = substrato
Formas de operação
O processo contínuo, basicamente, tem início no processo descontínuo, inicia-se com o carregamento do meio de cultura no reator e em seguida ocorre a inoculação do microrganismo responsável pelo processo fermentativo desejado, após um determinado tempo de fermentação descontínua, começa a ocorrer a alimentação de meio de cultura e retirada do caldo, caracterizando-se o processo de fermentação contínua. Com relação a sua versatilidade, os sistemas contínuos permitem algumas possibilidades de operações: contínuo em um único estágio (ou seja, em um único reator), com ou sem reciclagem de células ou contínuo em múltiplos estágios, com uma ou múltiplas alimentações e podendo ou não haver reciclagem de células.
Cada uma destas combinações irá gerar resultados diferentes no comportamento das variáveis de processo, a partir daí foram criadas faixas ideais de operação dos sistemas fermentativos contínuos, tendo como objetivo principal: a obtenção máxima de produtividade do processo.
Reator contínuo ideal sem reciclo de células
O meio de cultura que é utilizado contendo o substrato limitante é alimentado a uma vazão constante, a agitação perfeita é admita de forma que o reator deva ser considerado como homogêneo, ou seja, toda uma porção de meio presente no reator seja instantaneamente misturado ao volume da reação, de modo que proporcione ao fluído efluente as mesmas concentrações de células, substrato e produtos que o meio de reação.
A condição de lavagem do reator permite estabelecer a faixa de operação do mesmo. O arraste das células, que é indesejável, no entanto é inevitável quando se está operando um reator contínuo, é usado na determinação da velocidade específica máxima do crescimento dos microrganismos.
Sistema contínuo com reciclo de células
A operação deste sistema tem como objetivo principal a obtenção de alta densidade de células no interior do reator, aumento a velocidade do processo, e sendo assim, a produtividade do processo, a reciclagem de células pode ser feita internamente ou externamente ao reator. É importante lembrar também que esta recirculação interna representa uma maior segurança para o processo em termos de manutenção da assepsia, alguns processos como a produção de enzimas e antibióticos devem ser realizados estritamente por reciclagem interna. O reciclo externo é mais indicado para o tratamento de resíduos.
Sistema contínuo em múltiplos estágios
Este sistema, por possuir vários reatores acoplados, permite algumas mobilidades de operações: sistema com uma única alimentação, sistema com múltiplas alimentações ou sistema com reciclo de células com uma ou múltiplas alimentações.
