CULTIVOS EM PROCESSO CONTÍNUO

O processo de fermentação contínua se caracteriza por possuir uma única alimentação contínua de meio isento de células e uma única retirada de meio fermentado do biorreator, podendo haver reciclo de células e/ou incluir um mecanismo de concentração de células ou retirada de produto.

Facciotti (2001) menciona que o processo contínuo apresenta vantagens como o aumento da produtividade (redução dos tempos mortos), a obtenção de produto

uniforme, a manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, a possibilidade de associação com outras operações contínuas, a maior facilidade de controle e menor necessidade de mão-de-obra. Porém destacam-se como dificuldades o maior investimento inicial na planta, a possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas, o maior risco de contaminação, a dificuldade em manter-se a homogeneidade do reator (microrganismos filamentosos, por exemplo) e dificuldades operacionais, como formação de espuma e problemas nos sistemas de alimentação de meio e/ou retirada do caldo fermentado.

O cultivo contínuo parte de um cultivo em batelada. A partir do instante em que se inicia a alimentação de meio e retirada do caldo o processo é dito contínuo. Este processo caracteriza-se por atingir um estado estacionário, sendo as variáveis de estado (concentração celular, de substrato e de produto) constantes. Para tal é fundamental a manutenção de um volume constante no fermentador, o que exige que as vazões de alimentação e retirada sejam as mesmas.

Não há um critério geral para afirmar-se que o estado estacionário foi atingido. Pirt e Righelato (1967) estudaram a produção de penicilina por Penicillium chrysogenum. Os autores assumiram que o estado estacionário foi atingido quando amostras coletadas pelo menos a cada dois tempos de residência (razão entre o volume útil do reator e a vazão de alimentação) não apresentaram “uma tendência” nos parâmetros observados.

Paredes-López, Camargo-Rubio e Ornelas-Vale (1976) assumiram que o estado estacionário em cultivos de Candida utilis foi atingido depois de efetuadas diversas medidas da densidade óptica com resultados similares, o que exigiu a alimentação de duas a quatro vezes o volume útil do reator.

Møller et al. (2002) adotaram cinco tempos de residência para cultivos nos quais a vazão específica de alimentação (D) foi inferior a 0,30 h-1 _{e vinte tempos de residência}

para cultivos onde D > 0,30 h-1, como critério para o estabelecimento do estado estacionário em cultivos de Saccharomyces kluyveri.

Harrison e Topiwala (1974) estudaram o efeito de alterações de algumas variáveis de processo sobre o estado estacionário. Os autores discutiram a teoria do comportamento dinâmico de sistemas contínuos para determinar se o estado

estacionário foi alcançado ou “caracterizado por oscilações estáveis”. Eles concluíram haver apenas um estado estacionário estável para uma determinada condição de processo. Exemplos sobre a influência de perturbações no sistema como mudança na vazão específica de alimentação, na concentração do substrato na alimentação, na troca de substrato limitante (xilose por glicose), na temperatura ou na concentração de oxigênio dissolvido foram descritos. Observou-se uma fase de transição, cuja duração é normalmente maior quanto maior for a magnitude da perturbação, durante a qual haveria uma adaptação do microrganismo à nova condição, após a qual um novo estado estacionário era estabelecido.

O’Neil e Liberatus (1990) estudaram a modelagem dinâmica de cultivos contínuos de Saccharomyces cerevisae. Eles também observaram que quando há uma alteração no sistema, como na vazão específica de alimentação ou na concentração de substrato limitante, a velocidade específica de crescimento não respondia imediatamente. Portanto, um novo estado estacionário não era atingido imediatamente.

Patarinska, Dochain, Agathos e Ganovski (2000) propuseram o uso de modelos matemáticos que consideraram a “memória” durante a fase de transição em cultivos com alteração do estado estacionário, porém, apenas um estado estacionário era estabelecido para cada condição.

Oh e Sernetz (1993) pesquisaram a influência do tempo de troca de um volume (turnover characteristics) em cultivo contínuo de Corynebacterium glutamicum para produção de L-lisina. Foram estipulados três a quatro tempos de residência como necessários para atingir-se o estado estacionário. Para avaliar o estado de transição foi realizado um experimento em contínuo com uma primeira condição de D = 0,1 h-1

seguida por outra onde D = 0,4 h-1 e retorno à condição de D = 0,1 h-1, conforme mostrado na figura 2.4. Há variações nas concentrações celular, de glicose e de lisina a cada alteração de D, porém o sistema atinge um estado estacionário. Observa-se que estas concentrações no estado estacionário independem da condição de cultivo anterior (figura 2.5), isto é, foram obtidas as mesmas concentrações em estado estacionário para os ensaios com D = 0,1 h-1.

Ensari e Lim (2003) determinaram que o estado estacionário foi estabelecido quando a composição do gás de saída do bioreator, a concentração de oxigênio

dissolvido e a densidade óptica apresentaram uma variação dentro de seus respectivos desvios-padrão por “poucos” tempos de residência. Em um ensaio com diversas condições de D (0,14 h-1, 0,209 h-1, 0,279 h-1, 0,349 h-1, 0,416 h-1, 0,279 h-1 e 0,14 h-1) os autores obtiveram apenas um estado estacionário para cada condição, conforme indicado na figura 2.6. O plano de fases (figura 2.7) foi construído a partir dos dados da figura 2.6. Portanto, o estado estacionário independente da condição de cultivo anterior.

Figura 2.4. Concentração celular ( ), de glicose ( ) e de L-lisina ( ), adaptado de Oh e Serenetz (1993). Tempo (h) X (g/L) S (g/L) L-lisina (g/L) 5 4 3 2 1 µ µµ µ = D

Figura 2.5. Plano de fases, adaptado de Oh e Serenetz (1993).

Figura 2.6. Concentração celular ( ), de glicose ( ) e de L-lisina ( ), adaptado de Ensari e Lim (2003) para diferentes vazões específicas de alimentação: A = 0,14 h-1_{, B}

= 0,209 h-1, C = 0,279 h-1, D = 0,349 h-1, E = 0,419 h-1, F = 0,279 h-1 e G = 0,14 h-1. Adaptado de Ensari e Lim (2003).

estável para D = 0,4 h-1 S (g. L-1) estável para D = 0,1 h-1 X (g.L-1) X (g.L-1) S (g.L-1) L-lisina (g.L-1) 4 3 2 Tempo (h)

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 0 2 4 6 8 10 12 14 X (g/L) S ( g /L ) E = 0,419 1/h D = 0,349 1/h C e F = 0,279 1/h B = 0,209 1/h A e G = 0,14 1/h 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 2 4 6 8 10 12 14 X (g/L) L -l is in a (g /L ) A e G = 0,14 1/h B = 0,209 1/h C e F = 0,279 1/h E = 0,419 1/h D = 0,349 1/h

2.5. INFLUÊNCIA DA AGITAÇÃO E AERAÇÃO NO CRESCIMENTO CELULAR NA