Universidade Estadual de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena Prof. Arnaldo Márcio Ramalho...
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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 .