Prof. Arnaldo Márcio Ramalho Prata

Separação e purificação de bioprodutos

As etapas do processo fermentativo até o final da fermentação são denominadas linha ascendente ou “upstream” e as etapas de recuperação do produto e tratamento de resíduos é chamada linha descendente ou “downstream”

Esquema geral do processo fermentativo

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

Fermentação

propriamente dita

(BIORREATOR)

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

​

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

​

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

​

​

Conc. P

tempo

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

​

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

​

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

​

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

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SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE BIOPRODUTOS

Insumos químicos e biomoléculas

Álcoois Polímeros

Ácidos orgânicos Vitaminas

Solventes Aminoácidos

Antibióticos Enzimas

Hormônios Poliésteres

Serão abordados os procedimentos envolvidos na recuperação de bioprodutos do tipo insumos químicos e biomoléculas e microrganismos, exemplificados a seguir:

Exemplos de enzimas

Protease de Bacillus Glicose oxidase

Amilase de Bacillus Invertase

Glicoamilase Lisozima

Glicose-isomerase Penicilina acilase

Renina microbiana Lactase

β-amilase Lipase

Amilase fúngica Xilanase

Microrganismos

• Inóculo para processos fermentativos
• Microrganismos fixadores de nitrogênio
• Microrganismos para controle biológico
• Vacinas
• Probióticos

É importante observar a escala de aplicação dos diversos métodos de separação e purificação de produtos biotecnológicos:

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

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

SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE BIOPRODUTOS�

Recuperação de bioprodutos

Processamento Ascendente

Separação e purificação de bioprodutos

Operações envolvidas no processo de recuperação de bioprodutos

Clarificação

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

Clarificação

Separação das células suspensas no meio fermentado

Filtração

Clarificação

Filtração Convencional

Aplica-se à clarificação de grandes volumes de suspensões diluídas de células, produtos extracelulares e situações que não necessitam de assepsia.

Princípio de separação Filtração: tamanho da partícula

(também forma e compressibilidade do material)

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

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• Aplica-se a suspensões diluídas de células.

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• “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.”

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• Alguns tipos de filtro:

1. Rotatório (mais adequado para meios biológicos, pois não é afetado pela compressibilidade da torta)

2. De pressão

3. Folha (disco) horizontal

Clarificação

Filtração Convencional

Filtro Rotativo a Vácuo (FRV)

• 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

Esquema de um Filtro de Pressão

Fatores que influenciam a velocidade de filtração

- permeabilidade de leito (K)

- área de filtração (A)

- viscosidade do líquido (μ)

- 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 (ΔP)

- const. relacionada a tamanho e forma das células (α’)

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 . ΔP^(1-S) A²

μ . α’ . 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 =

Observações

Para se manter uma determinada velocidade de filtração ou minimizar a redução da velocidade pelo aumento da torta de filtração, pode-se aumentar o ΔP durante a filtração

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A ampliação de escala do processo de filtração é feita com base nas características do meio, ou seja, viscosidade (μ), características das células (α’) e concentração celular (X).

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

Centrifugação

Clarificação

Clarificação

Centrifugação

Princípio de separação: diferença de densidade

Método que acelera o processo de sedimentação por ação de um campo gravita-cional centrífugo

Baseia-se na diferença de densidade entre a célula e o meio líquido. É influenciada pela viscosidade do meio líquido, pela força motriz e pelo diâmetro da partícula

Alguns tipos de centrífuga

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

Clarificação

Centrifuga tubular

- Podem operar sob refrigeração

- Fator de acel. 13.000 a 17.000 x g

- Capacidade limitada de volume

Clarificação

Centrifuga tubular

Aplica-se a suspensões de no máximo 30 g/L de células

Centrífuga tubular de alta velocidade

Clarificação

Centrífuga de disco

• Apresentam valores menores de aceleração (5.000 a 15.000 x g)
• Permitem processamento contínuo de, por exemplo, 200 m³/h
• Discos aumentam a área de sedimentação e reduzem o tempo necessário para centrifugação

Clarificação

Centrífuga de disco

Aplica-se em suspensões de no máximo 250 g/L de células

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

Centrífuga de rolo (decanter)

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

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 de ampliação: Fator de aceleração.tempo => ξ. t

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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

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O fluxo volumétrico de alimentação para uma centrífuga pode ser determinado pela expressão:

Q = d² .Δρ . g. ξ. A

18 η

Onde:

Q é o fluxo volumétrico de alimentação

Δρ é a diferença de densidade (dens. Sólido – dens. do líquido)

g é a aceleração da gravidade

d é o diâmetro da partícula

ξ é o fator de aceleração

A é o equivalente de área do rotor

η é a viscosidade dinâmica do líquido