UNIVERSIDADE SAGRADO CORAÇÃO

GABRIELA BRASIL ROMÃO

AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS

FERMENTATIVOS E PURIFICAÇÃO DE PRODUTOS

BIOTECNOLÓGICOS

BAURU2012

AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS FERMENTATIVOS

1. Introdução

Devido aos avanços dos recursos computacionais e a sua grande utilização nas

indústrias, houve a possibilidade de baratear esses componentes, ter maior

interfaceamento, acompanhamento e gerenciamento de dados, e aumentar as funções

lógicas e programáveis dos controladores. Os recursos computacionais podem ampliar

as opções de algoritmos de controle, bem como realizar tarefas mais complexas, como a

estimativa de variáveis não medidas, implementação de técnicas de otimização

identificação de processos.

Em processos fermentativos o desenvolvimento da aplicação do controle

automático é lento devido às características específicas dos processos biotecnológicos

que dificultam o trabalho automático.

Essa aplicação em processos fermentativos permite uma maior reprodutibilidade

da produção, garantindo a melhor qualidade do produto, maior segurança e otimização

da produção, para maior economia do processo.

2. Desenvolvimento

2.1. Principais instrumentos para monitoração em linha de processos

fermentativos

Para o entendimento e controle do processo fermentativo é necessário obter os

dados que caracterizam a evolução no tempo das reações biológicas e para isso foram

se desenvolvendo sensores para fornecer os sinais adequados, mesmo sob condições

ambientais complexas e que indiquem a evolução do processo. Algumas técnicas

recentes vêm sendo incorporadas aos processos fermentativos que aumentam a

capacidade de observá-los e controlá-los como Turbedimetria utilizando Fibras Ópticas,

Cromatografia Líquida de Alto Desempenho (HPLC) e Análise por Injeção em Fluxo

(FIA), etc.

Abaixo está representada uma breve explicação das principais determinações em

linha aplicadas a processos fermentativos.

2.2. Medidas baseadas em princípios físicos

2.2.1. Temperatura

A temperatura é a variável mais frequentemente medida e controlada devido à

sua dependência para com o crescimento microbiano e pela facilidade de sua

determinação. Nos processos fermentativos o intervalo de medida situa-se entre 0ºC e

130ºC e essa medida é feita, principalmente, por termômetros baseados na variação da

resistência de sensores metálicos como os de cobre, níquel, platina ou liga ródio/ferro.

Esses termômetros contêm um fio metálico, dentro de um cilindro metálico para

proteção, por onde se faz passar uma corrente elétrica constante. Devido à variação da

resistência com a temperatura, ocorre variação de tensão no fio, que pode ser

relacionado com a temperatura.

2.2.2. Pressão

A pressão afeta indiretamente o metabolismo dos microrganismos pela sua

influência na solubilidade dos gases dissolvidos. Devido à necessidade de

interfaceamento elétrico, os medidores de pressão, manômetros, contêm elementos que

convertem a deformação elástica do elemento sensor em sinal elétrico (transdutores de

pressão). Como o deslocamento produzido é proporcional à pressão, pode-se

estabelecer uma relação entre a deformação mecânica e o sinal elétrico. Os

transdutores podem ser os capacitivos, que consistem em duas placas capacitivas,

separadas por uma membrana ou elemento sensor de capacitância e a pressão a ser

medida é transmitida através da membrana isoladora para o elemento sensor imerso no

óleo, ocorrendo a deformação do elemento sensor e a alteração da capacitância entre

as duas placas gerando um sinal elétrico, na forma de corrente ou tensão, proporcional à

pressão exercida; os piezoelétricos que se baseiam na propriedade do elemento sensor,

um cristal, que submetido a uma tensão mecânica gera uma carga elétrica diretamente

proporcional à força aplicada; e os extensômeros elétricos (strain-gages) que são

compostos por um cilindro oco, em cuja superfície são colocadas quatro tiras de

medição extensométrica de forma transversal em relação ao eixo do cilindro. Essas tiras

são fios metálicos ou outro condutor elétrico. Quando se aplica uma pressão, a parede

do cilindro se expande as tiras aumentam sua resistência elétrica. Essas tiras são

ligadas eletricamente, formando uma ponte de Wheatstone. Nesse circuito estabelece-

se uma tensão fixa e qualquer diferença das resistências gera um sinal elétrico (corrente

ou tensão), que pode ser correlacionado com a pressão.

2.2.3. Medidas de vazão gasosa

As medidas de vazão gasosa são necessárias para quantificar o ar fornecido ao

fermentador e para o controla de oxigênio dissolvido no meio ou para quantificar o

consumo de oxigênio e a produção de gás carbônico, na fermentação, e a correlação

dessas medidas com o crescimento celular. Os principais instrumentos utilizados para a

determinação de vazão gasosa são:

Medidores de vazão de área variável (Rotâmetros): nesses medidores, o fluido

escoa em tubo cônico, vertical, de baixo para cima, no qual há um flutuador.

Como o peso do flutuador é constante, o aumento da vazão acarreta um aumento

da área livre de escoamento, uma vez que a perda de carga permanece

constante. A posição do flutuador pode ser convertida em sinal elétrico gerando

medidas de linha de vazão;

Medidor térmico de vazão mássica: é mais utilizado em fermentadores pequenos

e no medidor, uma fração dos gases passa através de um duto, que apresenta

uma fonte de calor e dois sensores (termistores) mantidos antes de depois da

fonte de calor. O princípio da medida baseia-se no fato de que a quantidade de

energia necessária para manter um perfil de temperatura constante em um fluido

é função da vazão mássica. Assim, medindo-se o calor fornecido e a diferença de

temperaturas, é possível estimar a vazão mássica. Dependendo das faixas de

temperaturas utilizadas, da variação das propriedades do fluido (calor específico)

e do fio (elemento sensor), é possível estabelecer uma relação linear entre a

vazão e a relação calor gerado/diferença de temperaturas. A vazão gasosa é

calculada por circuito eletrônico e pré-ajustada com um gás de calibração.

Quando se utiliza um gás diferente, o fabricante fornece fatores de correção que

levam em conta as especificidades do gás utilizado. Como as medidas

necessárias (calor fornecido e temperatura) são facilmente convertidas em sinais

elétricos, pode-se dispor de uma medida em linha de vazão. A principal vantagem

dessa medida é a sua interdependência da pressão do gás. Dessa forma, uma

manutenção exige cuidados para evitar a entrada e o acúmulo de impurezas no

sensor. Em geral, o medidor vem junto com uma unidade para controle de vazão

(válvula de controle e controlador).

2.2.4. Medidas de vazão líquidas

Nos processos fermentativos, os medidores de vazão líquida são equipamentos

comuns aos processos químicos, porém devem atender a algumas características

específicas, especialmente a necessidade de esterilidade do processo e a manipulação

de meios naturais (presença de sólidos em suspensão). Os mais utilizados são:

Medidos de pressão diferencial: vários medidores são disponíveis para

correlacionar medidas de diferença de pressão, geradas por dispositivos

mecânicos, com vazões (placas de orifício, tubos de Venturi). A forma mais

comum é a utilização de placas de orifício. Nesses dispositivos o diferencial de

pressão é proporcional ao quadrado do fluxo. Assim, utilizando-se transdutores de

pressão, é possível obter-se uma medida em linha de vazão;

Medidores magnéticos: consistem em um tubo não magnético coberto com

material isolante, com dois eletrodos em lados opostos, que produzem um campo

magnético perpendicular ao fluxo do fluido. A passagem de líquidos eletricamente

condutores por esse dispositivo permite o surgimento de uma força eletromotriz

entre os dois eletrodos. Essa força é amplificada em um conversor e fornece um

sinal de corrente linear com a vazão. Esse tipo de medidor é muito apropriado

para medições de líquidos contendo lamas, polpas e líquidos condutores em

geral. Não oferece nenhuma restrição à passagem dos fluidos, tendo uma perda

de carga equivalente a de um duto com o mesmo comprimento ocupado pelo

medidor;

Balanças: reservatórios de alimentação, colocados sobre balanças conectadas a

microcomputadores, são extremamente úteis para a determinação da massa

(volume) adicionada ao fermentador a qualquer instante. Sua principal vantagem

é a precisão da medida. Contudo, a diminuição significativa do peso do

reservatório, dependendo das vazões empregadas, pode tardar frações de horas

e pode levar a erros quando de realizam determinações diferenciais em intervalos

de tempo curtos.

2.3. Medidas baseadas em princípios físico-químicos

2.3.1. Acidez (pH)

Como a temperatura, o pH é frequentemente controlado nos processos

biotecnológicos, devido à sua influência na atividade enzimática e no metabolismo

microbiano. O pH é medido potenciometricamente com sondas esterilizáveis, que

consistem numa combinação de eletrodo de vidro com eletrodo de referência. A metade

correspondente ao eletrodo de vidro é composta de membrana de vidro, fio de prata

recoberto com cloreto de prata imerso em solução de AgCl, saturado com KCl sólido. A

metade correspondente ao eletrodo de referência é feita do mesmo material (fio de prata

e dolução de AgCl saturada). Variações do pH do meio de cultura alteram a diferença de

potencial elétrico nas faces da membrana de vidro. Essa diferença de potencial, medida

em relação ao eletrodo de referência, é proporcional à concentração de íons entre as

faces. Como a concentração de íons H+ é mantida constante dentro do eletrodo de vidro

por solução tampão, é possível correlacionar o potencial elétrico e a concentração de

íons H+ no meio de cultivo. O principal problema na operação prolongada do eletrodo é a

deterioração do eletrólito devido a esterilizações sucessivas da sonda.

PURIFICAÇÃO DE PRODUTOS BIOTECNOLÓGICOS

1. Introdução

A recuperação e a purificação dos produtos presentes nos biorreatores fazem

parte dos chamados tratamentos finais em processos biotecnológicos. Em geral, essa é

a etapa mais complexa e onerosa de um processo fermentativo.

Na recuperação e purificação de produtos são usadas muitas técnicas comuns

nos processos químicos, dependendo das características de cada produto e do meio em

que ele está contido. É preciso, primeiramente, separar as células e outros materiais

sólidos do meio, através de métodos físicos como a sedimentação, a filtração e a

centrifugação. Em seguida, dependendo se o produto é intracelular ou extracelular, são

usados, para o primeiro caso, métodos de ruptura de células, para liberação do produto,

e feito o enriquecimento, usando diferentes técnicas como, por exemplo, no caso da

fermentação alcoólica, a destilação, entre outras técnicas.

2. Desenvolvimento

2.1. Principais técnicas de purificação de produtos biotecnológicos

Abaixo está representado um resumo sobre os principais métodos de purificação

em processos fermentativos.

2.1.1. Destilação

A separação de componentes de baixo peso molecular pode realizada por

destilação ligada diretamente ao biorreator. A utilização de vácuo no fermentador

permite, por exemplo, a remoção de etanol diretamente do meio de fermentação. O

processo não apresenta riscos para os microrganismos (levedura ou bactéria). O método

é vantajoso para bactérias termofílicas, embora os custos para manutenção de vácuo

sejam altos. É uma operação que permite a separação de misturas de líquidos em

componentes puros na qual se realiza a vaporização e condensação sucessivas devido

à diferença de volatilidade entre os componentes do líquido.

Destilação descontínua ou simples: realizadas em bateladas. A carga líquida é

introduzida em um vaso provido de aquecimento, entrando em ebulição. Os

vapores são retirados no topo através do condensador, onde são liquefeitos e

coletados em outros recipientes. A primeira porção do destilado será a mais rica

em componentes mais voláteis. A medida que prossegue a vaporização, o

produto vaporizado torna-se mais volátil e o líquido residual torna-se menos

volátil, pois o percentual de componentes leves no líquido residual vai sendo

esgotado. O destilado, que é o vapor condensado, poderá ser coletado em

frações separadas, denominadas de cortes;

Destilação fracionada: é o tipo de destilação mais utilizada em indústrias de

grande porte. Na destilação em batelada e por expansão brusca, a separação das

substâncias é realizada de forma imperfeita e incompleta. Na destilação

fracionada é possível obter a separação em várias frações, pois pode-se ter

temperaturas, vazões e composições constantes em dado ponto da coluna. A

destilação fracionada ocorre por meio de vaporização e condensações sucessivas

por meio das diferentes volatilidades das substâncias. A alimentação é

introduzida no meio da coluna descendo até atingir o trocador de calor aquecido

por vapor, onde entrará em ebulição. Este vapor ascenderá a coluna em contra

corrente com a alimentação atingindo o condensador onde será liquefeito.

2.1.2. Cristalização

O processo de cristalização é principalmente utilizado para purificação de

produtos de baixo peso molecular. Os exemplos conhecidos são a precipitação de

penicilina G (adição de álcool + acetato de potássio) e na produção de ácido cítrico. Os

bioprodutos podem ser removidos do meio fermentado por cristalização. Este processo

pode ser realizado na produção enzimática de certos aminoácidos e peptídeos como o

aspartame. A cristalização pode ocorrer também pela remoção de solventes voláteis.

A cristalização é uma operação de separação onde, partindo de uma mistura

líquida (solução ou sólido fundido-magma) se obtêm cristais de um dos componentes da

mistura, com 100% de pureza. Na cristalização criam-se as condições termodinâmicas

que levam as moléculas a aproximarem-se e a agruparem-se em estruturas altamente

organizadas, os cristais. Por vezes, as condições operatórias não permitem obter cristais

100% puros verificando-se a existência, nos cristais, de inclusões (impurezas) de

moléculas que também têm grande afinidade para o soluto.

2.1.3. Extração por solvente

O uso de solventes para extrair continuamente produtos a partir do meio

fermentado, sob condições adequadas, especialmente o pH, é uma tecnologia

empregada com sucesso na indústria de antibióticos. São obtidos rendimentos de 95%

em 1 a 4 estágios de contato.

Uma forma elegante de integrar a separação de células com a separação primária

de proteínas é a aplicação de técnicas de extração aquosa em duas fases. O meio

fermentado ou o homogenato pode ser separado em duas fases pela adição de dois

polímeros ou de um sal de polímero em solução aquosa. Os pares usualmente

empregados incluem: polietileno glicol/dextrana ou polietileno glicol/sais de sulfato ou

fosfato.

As vantagens e desvantagens são:

A possibilidade de separar e purificar simultaneamente as células;

A separação pode ser realizada continuamente;

A desvantagem é o alto custo dos polímeros, embora exista a possibilidade de

recuperá-los no processo.

A separação de células neste tipo de processo pode ser atrativa para produção

de proteínas ou enzimas de alto valor, particularmente de origem intracelular.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

MÜLLER, J. M. Recuperação de Bioprodutos. UFSC, 2012. Disponível em: <http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=18&cad=rja&ved=0CE4QFjAHOAo&url=http%3A%2F%2Fmoodle.ufsc.br%2Fmod%2Fresource%2Fview.php%3Fid%3D293019&ei=b86mULuAB-2M0QHJ8YGoDg&usg=AFQjCNHNGsvEv8t0Pk8SfP_oqRiKr42lrw>. Acesso em: 16 nov. 2012.

SCHMIDELL, W. et al. Biotecnologia industrial. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 2001. v. 2. http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/trabalhos_grad2004/queijos/processo.htm Disponível em: <www.esalq.usp.br>. Acesso em: 6 mar. 2012.