Universidade Estadual de São PauloEscola de Engenharia de Lorena

Prof. Arnaldo Márcio Ramalho Prata

Separação e recuperação de Separação e recuperação de bioprodutosbioprodutos

As etapas do processo fermentativo até o final da fermentação são

denominadas linha ascendente ou “up stream” e a etapa de recuperação do produto e tratamentos de resíduos é

chamada linha descendente ou “down stream”

Esquema geral do processo Esquema geral do processo fermentativofermentativo

Preparo do meio-tratamento da matéria-prima- mistura de nutrientes-ajuste de pH- tratamento térmico

Preparo de inóculo(microrganismo)

Linha descendente

Processos à jusante“downstream”

Processos à montante“upstream”

Linha ascendente

ArEsterilização

Fermentação propriamente dita

(BIORREATOR)

Recuperação do produto

Tratamentos de resíduos

Produto

SEPARAÇÃOSEPARAÇÃO E E RECUPERAÇÃORECUPERAÇÃO DEDE BIOPRODUTOSBIOPRODUTOS

Definição: Separação do produto do meio fermentado, colocando-o na forma mais pura possível para a aplicação a que se destina.

oA etapa de recuperação de produto começa após a determinação correta do final da fermentação.

oEsta deve levar em conta o máximo da produção técnica e a máxima produção econômica.

oO produto de interesse pode estar no interior da célula ou no meio de fermentação (lembrar que há situações especiais).

SEPARAÇÃOSEPARAÇÃO E E RECUPERAÇÃORECUPERAÇÃO DEDE BIOPRODUTOSBIOPRODUTOS

Insumos químicos e biomoléculasInsumos químicos e biomoléculas

Álcoois PolímerosÁcidos orgânicos VitaminasSolventes AminoácidosAntibióticos EnzimasHormônios Poliésteres

MicrorganismosMicrorganismos

o Inóculo para processos fermentativoso Microrganismos fixadores de nitrogênioo Microrganismos para controle biológicoo Vacinaso Probióticos

Exemplos de enzimasExemplos de enzimas

É importante observar a escala de aplicação dos diversos métodos de

separação e purificação de produtos biotecnológicos:

oEscala de laboratório, normalmente para produtos destinados a estudos acadêmicos e aplicações específicas

oEscala industrial, quando se busca a obtenção de grandes quantidades de produto para fins comerciais

SEPARAÇÃOSEPARAÇÃO E E RECUPERAÇÃORECUPERAÇÃO DEDE BIOPRODUTOSBIOPRODUTOS

Purificação Purificação de de

bioprodutosbioprodutos

Processamento Processamento UpstreamUpstream

Separação e purificação de bioprodutosSeparação e purificação de bioprodutos

Operações envolvidas no processo de purificação de Operações envolvidas no processo de purificação de bioprodutosbioprodutos

ClarificaçãoClarificação

Separação das células suspensas de um meio fermentado

A operação unitária adequada depende da faixa de dimensão da partícula a ser removida:

Operações unitárias viáveis em escala industrial:•Filtração convencional•Filtração tangencial•Centrifugação

ClarificaçãoClarificaçãoSeparação das células suspensas no meio fermentado

Filtração

Filtração Convencional

Aplica-se à clarificação de grandes volumes de suspensões diluídas de

células, produtos extracelulares e

situações que não necessitam de assepsia.

ClarificaçãoClarificação

Princípio de separação Filtração: tamanho da Princípio de separação Filtração: tamanho da partícula partícula

(também forma e compressibilidade do material)(também forma e compressibilidade do material)

o A suspensão, sob pressão, é perpendicularmente direcionada a um meio filtrante (filtração convencional).

o Aplica-se a suspensões diluídas de células.

o “A fração volumétrica que atravessa o meio filtrante é denominada filtrado e o depósito de sólidos (sobretudo células) sobre o meio filtrante chama-se torta.”

o Alguns tipos de filtro: 1. Rotatório (mais adequado para meios biológicos, pois não é afetado pela compressibilidade da torta)2. De pressão3. Folha (disco) horizontal

Filtração Convencional

Equipamento utilizado: Filtro Rotativo a Vácuo (FRV)

ClarificaçãoClarificação

• O tambor fica parcialmente submerso em um recipiente que contém a

suspensão.• Ocorre leve agitação para evitar a

sedimentação.• Suspensão é alimentada pela parte

externa do tambor.• A redução de pressão (vácuo), ocorre

no interior do tambor, promovendo a filtração (formação da torta).

• Tambor oco e rotativo (1 rpm), coberto com uma malha metálica

filtrante, recoberta com terra diatomácea.

• Capacidade de 0,1 a 0,2 m3.h

Filtração Tangencial: Microfiltração

ClarificaçãoClarificação

Filtração Tangencial: Microfiltração

ClarificaçãoClarificação

Esquema de um Filtro de PressãoEsquema de um Filtro de Pressão

Fatores que influenciam a velocidade Fatores que influenciam a velocidade de filtraçãode filtração

- permeabilidade de leito (K) - área de filtração (A)- viscosidade do líquido ()- espessura do leito (L)- resistência do leito de filtração (L/K)- compressibilidade da torta (S)- concentração celular do líquido (X)- diferença de pressão através do leito (P)- const. relacionada a tamanho e forma das células (’)

O tempo (t) necessário para a filtração de um volume V de suspensão contendo células sujeitas à compres-sibilidade, sob uma determinada pressão e através de uma área A é dado por:

2 . P(1-S) A2

. ’ . X V2

Obs.: - S varia de 0 a 1,0

- Tortas de células microbianas podem ter S de até 0,8

- Para tortas rígidas, S = 0

t =

A centrifugação de meios fermentados é uma tecnologia já consolidada. Suas vantagens sobre o processo de filtração são:

Centrifugação

ClarificaçãoClarificação

Centrifugação

ClarificaçãoClarificação

Alguns tipos de centrífuga

a) Tubular; b) Câmara; c) Disco; d) Rolo

Centrifuga tubular

ClarificaçãoClarificação

Centrífuga tubular de alta velocidade

Centrifuga de disco

ClarificaçãoClarificação

https://www.youtube.com/watch?v=dxTT_bP6IwI

Centrífuga de rolo (decanter)

https://www.youtube.com/watch?v=FhS5vN4r5LA

https://www.youtube.com/watch?v=w1E452YD1zw

https://www.youtube.com/watch?v=jGwBpGELngk

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.

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 gravidaded é o diâmetro da partícula é o fator de aceleraçãoA é o equivalente de área do rotor é a viscosidade dinâmica do líquido

Cálculo de “g”:

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 ou da câmara de sedimentação

N2 . R

89500g =

Exemplo de aplicação para centrífugaExemplo de aplicação para centrífuga

Uma determinada indústria apresenta uma produção de meio fermentado igual a 180 m3/dia. (a) 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? (b) Considere, agora, que foi estabe-lecido que serão compradas 8 centrífugas com equivalente de área igual a 0,10 m2. Qual deve ser o fator de aceleração destas centrífugas?

Dados: Densidade do sólido = 1000 kg/m3

Densidade do líquido = 900 kg/m3 Viscosidade do líquido = 10-2 kg/m.sDiâmetro da partícula = 0,01 mmFator de aceleração = 8000Equivalente de área = 0,10 m2

 Q = d2 . . g . . A

18 .