O processo contínuo é realizado por meio de uma alimentação contínua de meio de cultura ao reator a uma determinada vazão constante e por uma retirada contínua de caldo fermentado, de forma a ser ter o volume de reação constante, a fim de que o sistema atinja a condição de estado estacionário (steady-state). O estado estacionário é a situação na qual todas as condições no interior do reator permanecem constantes ao longo do tempo.
Como foi destacado por Facciotti (2001), o processo contínuo de operação de reatores bioquímicos apresenta várias vantagens em comparação com o processo descontínuo tradicional, entre as quais pode-se citar:
• Aumento da produtividade do processo, devido à redução de tempos mortos e não-produtivos;
• Obtenção de caldo de fermentação uniforme, o que facilita o projeto dos processos de recuperação do produto de interesse;
• Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, facilitando estudos sobre o processo, como mecanismos de regulação metabólica e estudos visando a otimização da composição do meio de cultura;
• Possibilidade de associação com outras operações contínuas da linha de produção;
• Maior facilidade no emprego de controles avançados; • Menor necessidade de mão de obra.
Por outro lado, Facciotti (2001) também destaca algumas desvantagens do processo contínuo, como por exemplo:
• Maior investimento inicial na planta;
• Possibilidade da ocorrência de mutações genéticas espontâneas, com a seleção de mutantes menos produtivos;
• Dificuldade de manutenção de homogeneidade no reator, principalmente quando o caldo de fermentação torna-se pseudoplástico, o que acontece no caso de fungos filamentosos.
• Dificuldade de manutenção do estado estacionário no reator, principalmente quando ocorre formação de espuma, crescimento do microrganismo na parede do reator ou nos sistemas de entrada de meio de cultura e saída de caldo de fermentação, o que pode causar entupimento. Outro problema que pode tornar-se crítico na manutenção do estado estacionário é a morfologia de crescimento do microrganismo. O crescimento de microrganismos filamentosos na forma de pellets pode trazer problemas para a manutenção das condições no interior do reator.
• Maior possibilidade de ocorrência de contaminações, por se tratar de um sistema aberto, operando por longos períodos de tempo.
A condução do processo contínuo pode ser realizada de diversas formas: com ou sem reciclo de células, com operação em um único estágio ou em múltiplos
estágios em série, com uma ou com várias alimentações, perfazendo assim uma ampla diversidade de formas de operação dos reatores bioquímicos.
O processo contínuo mais simples é baseado em um único reator, com uma alimentação e uma retirada de caldo, sem reciclo de células. O equacionamento do processo (detalhado no Apêndice B), por meio de equações de balanço material de células, de substrato limitante e de produto, conduz às seguintes equações, válidas após o estabelecimento da condição de estado estacionário no reator:
D X = µ (2.4) ) .( / S S Y X f = X S i− f (2.5) D X Pf f P µ . = (2.6) V D=φ (2.7) Onde:
D = vazão específica de alimentação (h-1);
Pf = concentração produto no reator no estado estacionário (g/L);
Sf = concentração de substrato limitante no reator no estacionário (g/L);
Si = concentração de substrato limitante na alimentação (g/L);
V = volume de meio no reator (L);
Xf = concentração celular no reator no estado estacionário (g/L);
YX/S= fator de conversão substrato a células (g/g);
Φ = vazão volumétrica de alimentação (L/h); µP = velocidade específica de produção (g/(g.h));
µx = velocidade específica de crescimento (h-1).
Observa-se, a partir da equação 2.4, que é possível controlar a velocidade específica de crescimento do microrganismo por meio da imposição de uma certa vazão específica de alimentação, o que permite exercer um bom controle sobre o processo contínuo.
A facilidade de controle da oferta de substrato nos processos contínuos faz com que seja possível o estudo do efeito de limitações por nutrientes em processos fermentativos, o que tem sido feito por vários autores.
Gray; Bhuwapathanapun (1980) compararam a produção do antibiótico tilosina em processos descontínuos e contínuos. A condução do processo na forma contínua promoveu um aumento de 40 % na velocidade específica de produção do antibiótico em relação ao cultivo descontínuo.
Bhatnagar et al. (1988) analisaram a influência da fonte de carbono na produção de cloranfenicol por Streptomyces, em cultivos contínuos, que se mostraram úteis no estudo de processos fermentativos limitados por fonte de carbono e de nitrogênio.
James et al. (1991) promoveram a limitação por glutamato, em um processo contínuo de produção do antibiótico granaticina. Da mesma forma, por tratar-se de um metabólito secundário, a velocidade específica de produção deste antibiótico atingiu valores máximos com a utilização de uma vazão específica de alimentação de 0,10 h-1, declinando para maiores valores de D.
Melzoch et al. (1997) estudaram o processo de produção do antibiótico actinorhodina em processo contínuo, promovendo limitações por alguns nutrientes (glicose, fosfatos, sulfatos e cloretos). As maiores produções de antibiótico foram obtidas quando o processo foi limitado por glicose e por cloreto de amônio. Nesse mesmo trabalho, a velocidade específica de produção do antibiótico apresentou valores maiores quando foi utilizada uma baixa vazão específica de alimentação (D = 0,06 h-1).
Lee (1997) utilizou cultivos contínuos de Streptomyces para determinar a influência de íons amônio na produção de tilosina. Os resultados mostraram que baixas concentrações do íon amônio na alimentação conduziram a uma maior produção de tilosina. Além disso, confirmando resultados obtidos em outros trabalhos, a velocidade específica de produção do antibiótico apresentou maiores
valores quando foi utilizada uma baixa vazão específica de alimentação (D = 0,05 h-1), decrescendo para maiores valores de D. O aumento da vazão
específica de alimentação também conduziu a uma diminuição na concentração de antibiótico produzido.
Sarrà et al. (1997), utilizando reatores de leito fluidizado operando em processo contínuo, conseguiram um aumento na produtividade específica de antibiótico em relação ao processo descontínuo tradicional, devido à possibilidade de operação desse tipo de reator por longos períodos de tempo, diminuindo os tempos
não-produtivos do processo.
Utilizando processos contínuos mais complexos, McIntyre et al. (1999) estudaram a produção do antibiótico vancomicina em processos contínuos com reciclo de células. A utilização de reciclo de células conduziu a um aumento de sete vezes na velocidade específica de produção do antibiótico, mostrando uma grande vantagem na recirculação de células em processos contínuos.
A utilização de processos contínuos também se mostra útil no levantamento de dados para estudos metabólicos, como foi feito por Gulik et al. (2000), que utilizaram esse tipo de processo para o levantamento de modelos estequiométricos de produção de penicilina G, por meio de análise de fluxos metabólicos.
Assim, em muitos processos de produção de antibióticos, a condução do processo na forma contínua conduz a uma melhoria na produção do metabólito de interesse, mostrando que o processo contínuo pode ser vantajoso para a produção de antibióticos, de forma semelhante ao processo descontínuo alimentado.
3 MATERIAIS E MÉTODOS