A condução de processos fermentativos em biorreatores pode ser realizada de várias formas: processos descontínuos, semicontínuos, descontínuos alimentados (fed-batch) e contínuos.
Principalmente no caso de reatores biológicos, a forma de operação descontínua alimentada tem sido bastante empregada, a qual foi desenvolvida praticamente para os processos fermentativos, como destacam Yamané; Shimizu (1984). Essa forma de condução do processo fermentativo permite exercer um controle da concentração de nutrientes no reator e da velocidade especifica de crescimento em um valor desejado. No caso de processos de produção de metabólitos secundários, como é o caso de antibióticos, diversos trabalhos ressaltam a importância do controle da velocidade específica de crescimento em valores baixos, a fim de se obter uma elevada velocidade específica de produção do metabólito secundário (Ates et al., 1997; Melzoch et al., 1997; Seidel et al., 2002a; Seidel et al., 2002b).
Facciotti (1997) apresenta um equacionamento matemático detalhado para os vários tipos de reatores, com o destaque para os reatores descontínuos alimentados utilizando diferentes tipos de vazão de alimentação (exponencial e constante) do meio de cultura.
Assim, a partir do balanço material de células e de substrato limitante no reator descontínuo alimentado pode-se demonstrar (conforme detalhado no Apêndice A) que é possível o controle da velocidade específica de crescimento (µx) em um
valor desejado (µx0), por meio da imposição de uma vazão exponencial de
alimentação do substrato limitante. Nesse caso, a vazão de alimentação deve ser:
e
A. B.(t−to)
=
Onde: ) .( . . 0 / 0 0 0 S S Y V X A i S X X − = µ (2.2) µX0 B= (2.3)
S0 = concentração de substrato limitante (glicose) no reator no instante to
(g/L);
Si = concentração de substrato limitante (glicose) na alimentação (g/L); t0 = instante de início da alimentação (h);
V0 = volume de reação no instante to (L);
X0 = concentração celular no reator no instante to (g/L);
YX/S= fator de conversão substrato a células (g/g);
Φ = vazão volumétrica de alimentação (L/h);
µX0 = velocidade específica de crescimento no instante to, que é o valor
desejado de µx (h-1).
Dessa forma, impondo-se uma vazão de alimentação exponencial de acordo com as equações 2.1 a 2.3, tanto a velocidade específica de crescimento como a concentração de substrato limitante deverão permanecer constantes no reator, durante a alimentação, desde que não haja limitação por outros nutrientes.
Essa forma de condução é muito útil no estudo de processos fermentativos, como foi destacado por Whitaker (1980), para vários processos de produção de metabólitos primários e secundários, com destaque para enzimas, vitaminas, hormônios e ácidos orgânicos.
Pirt (1975) destacou que o excesso de glicose no meio de cultura interfere na biossíntese de penicilina e, portanto, a condução do processo na forma descontínua alimentada permite o controle da concentração de glicose em baixos níveis, através da adição lenta de glicose ao reator, conduzindo a um aumento na produtividade de penicilina do processo.
Paul et al. (1994) estudaram vacuolização e fragmentação em cultivos de
Penicillium, em reatores descontínuos alimentados, aplicando técnicas de análise de
imagens na caracterização morfológica do microrganismo. Com isso, observaram uma relação entre a vacuolização e o processo de fragmentação de hifas, tanto em processos com vazão de alimentação constante, como em processos com vazão de
alimentação variável, mantendo baixos os níveis de glicose no meio de cultura. A fragmentação mostrou-se dependente não apenas das condições de cisalhamento no reator, mas também das condições de limitação de substrato.
Ates et al. (1997) estudaram o processo de produção de antibióticos por
Streptomyces coelicolor e obtiveram um aumento de duas vezes na produtividade em
relação ao processo descontínuo convencional, utilizando uma vazão constante de alimentação de glicose.
A condução de processos fermentativos na forma descontínua alimentada também se mostra útil em cultivos visando a obtenção de elevada concentração celular. Castillo (1997) estudou a produção de troponina C por Escherichia coli recombinante, utilizando cultivos descontínuos alimentados, a fim de maximizar a concentração celular, com uma produção mínima de ácido acético, o qual inibe o crescimento celular em concentrações elevadas. Nesse caso, a velocidade específica de produção de ácido acético apresentou um aumento exponencial com a velocidade específica de crescimento e o valor de µx = 0,30 h-1 mostrou-se mais adequado para
se evitar o acúmulo elevado de ácido acético, com a obtenção de uma elevada concentração celular.
Gordillo et al. (1998) aplicaram diferentes estratégias para a condução de processos descontínuos alimentados e, com isso, obtiveram uma melhoria no processo de produção de lipase por Candida rugosa. Nesse estudo, foi empregada uma vazão exponencial de alimentação, com a finalidade de se controlar a velocidade específica de crescimento do microrganismo. O controle da velocidade específica de crescimento em valores baixos conduziu a uma maior produção de lipase. A condução do processo na forma descontínua alimentada levou a uma produção de lipase dez vezes maior do que a condução na forma descontínua.
Paul et al. (1998) propuseram um modelo estruturado para a produção de penicilina em processos descontínuos alimentados. Os processos foram conduzidos com vazões de alimentação constantes. O modelo proposto respondeu bem à aplicação de degraus na vazão de alimentação de glicose, tanto em relação à produção de penicilina quanto em relação às características morfológicas do microrganismo, avaliadas por meio de análise de imagens.
Papagianni et al. (1999) compararam processos descontínuos e processos descontínuos alimentados aplicados a cultivos de Aspergillus niger para a produção
de ácido cítrico. Os resultados mostraram que os baixos níveis de glicose nos processos descontínuos alimentados conduziram a um aumento na vacuolização e favoreceram a fragmentação do micélio.
Da mesma forma, Li et al. (2000) estudaram fragmentação de Aspergillus
oryzae em reatores descontínuos alimentados de larga escala (80 m3), em um
processo de produção de enzimas, concluindo que a baixa velocidade de crescimento devido à lenta adição de substrato limitante contribuiu bastante para o processo de fragmentação do microrganismo.
Giridhar; Srivastava (2001) destacaram que os processos descontínuos alimentados são uma alternativa interessante na produção de L-sorbose, etapa intermediária na produção industrial de vitamina C. A utilização de processos descontínuos nesse caso prejudica a produção de L-sorbose, por provocar inibição pelo substrato. A utilização de processos descontínuos alimentados permite a eliminação desta inibição e um aumento na produção de L-sorbose, a partir do sorbitol.
Em trabalhos mais recentes, a aplicação de processos descontínuos alimentados mostrou-se útil na produção de cefalosporina C por Acremonium
chrysogenum, permitindo a obtenção de altas concentrações deste antibiótico, a partir
de meios complexos (Seidel et al., 2002a; Seidel et al., 2002b).
Dessa forma, em muitos processos de produção de antibióticos, a condução do processo na forma descontínua alimentada conduz a uma melhoria na produção do metabólito de interesse, mostrando que esse tipo de processo pode ser vantajoso para a produção de antibióticos.