Cinetica

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1. 1. INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, o etanol tem ganhado destaque no cenário mundial, devido principalmente a sua importância tecnológica, ganhando posição estratégica na economia. Este valor estratégico é devido à proposta promissora como combustível alternativo ao petróleo. O petróleo, apesar de abundante na natureza, é uma matéria-prima de fonte esgotável, não renovável e que emite poluentes, provocando vários danos ambientais.  

No Brasil, a fermentação alcoólica, foi inicialmente utilizada para a produção de aguardente a partir de caldo de cana-de- açúcar, mais tarde passou a ser aplicada também na produção de álcool carburante.  Na década de 70, em virtude da guerra do Oriente Médio, o preço do barril de petróleo elevou acarretando uma crise energética mundial. Como alternativa, o governo brasileiro criou o Programa Nacional do Álcool (PROÁLCOOL) em 1975 com o objetivo de substituir a gasolina pelo álcool em veículos automotivos.

A utilização de etanol como combustível carburante mostrou-se uma alternativa adequada para países carentes em reservas petrolíferas e com grandes extensões territoriais. Essa tendência do mercado nacional e internacional de progressiva utilização do etanol como combustível nos leva a estudos da cinética de fermentação e modelagem de biorreatores que serão discutidos no decorrer deste trabalho.

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1. 2. OBJETIVO GERAL

        

Simular e analisar o processo de um biorreator que opera em batelada, promovendo a fermentação da glicose a etanol.

1. 2.1.  OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar o levantamento bibliográfico sobre o tema;
• Obter as equações do modelo;
• Desenvolver o programa que representa o processo no Octave;
• Criar quatro cenários variando parâmetros do processo;
• Analisar os resultados obtidos

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1. 3.  REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1. 3.1. BIORREATORES

Os biorreatores são reatores que sustentam e mantém a vida de culturas de células e tecidos. Todas as reações celulares necessárias à manutenção da vida são viabilizadas por enzimas que catalisam várias etapas do metabolismo celular, como a etapa de transformação da energia química e a etapa de construção, ruptura e digestão dos componentes celulares.

O emprego de células vivas na produção de produtos químicos que tenham demanda no mercado vem se tornando cada vez mais importante. O número de produtos químicos, agroquímicos e alimentícios produzidos por biossíntese têm crescido acentuadamente. ^[a]

Tanto microrganismos como células de mamíferos vêm sendo usadas na produção de uma grande variedade de produtos, tais como insulina, a maioria dos antibióticos e alguns polímeros. Espera-se que, no futuro, vários produtos orgânicos que atualmente são derivados do petróleo passem a ser produzidos por células vivas. As vantagens das bioconversões são: condições de reações brandas, rendimentos elevados, os organismos contém várias enzimas que podem catalisar passos sucessivos em uma reação e ainda agem como catalisadores estereoespecíficos.^[b]

Na biossíntese as células também chamadas de biomassa, consomem nutrientes para crescer e produzir mais células e importantes produtos.  Internamente uma célula utiliza seus nutrientes para produzir energia e mais células. Essa transformação de nutrientes em energia e bioprodutos são realizadas por meio de várias enzimas que a célula utiliza em uma série de reações para produzir os metabólitos. Esses produtos tanto podem permanecer na célula (produto intracelular), como podem ser excretados para fora da célula (produto extracelular). Se o produto é intracelular, torna-se necessário proceder a ruptura das células, e o produto deve ser purificado a partir do caldo de cultura (mistura reacional).^[c]

A célula consiste em uma parede celular e uma membrana externa que envolve o citoplasma que contém a região nuclear e os ribossomos. A parede celular protege a célula de influências externas. A membrana da célula promove o transporte seletivo de materiais para dentro e para fora das células.

1. 3.1.2. Crescimento Celular

Os estágios do crescimento celular em um reator batelada estão exemplificados nas figuras 1 e 2.

Figura 01: Aumento da Concentração de Células

        [pic 1]

        Fonte: FOGLER,

Figura 02: Fases de Crescimento Celular da Bactéria

[pic 2]

Fonte: FOGLER

Inicialmente uma pequena quantidade de células é inoculada no reator batelada, dentro do reator existem os nutrientes necessários para o crescimento celular, sendo assim o processo do crescimento de inicia, conforme ilustrado na figura 01.

Na figura 02 tem-se o número de células plotado em função do tempo, demonstrando assim o comportamento celular nas várias etapas de crescimento.

A fase I, também chamada de fase de latência, apresenta um crescimento muito pequeno da concentração de células. Nesta fase as células são inseridas dentro do reator e são ajustadas ao novo ambiente, sintetizando as enzimas e se preparando para iniciarem a reprodução. A duração da fase de latência depende da similaridade entre o meio de crescimento do qual o inóculo é retirado e o meio aonde a reação irá ocorrer. Se o meio do inóculo for similar ao meio do reator batelada, a fase de latência será praticamente inexistente. Porém, se o inóculo for colocado em um meio com nutrientes diferentes e outros componentes, as células terão que reajustar a sua rota de modo a permitir o consumo dos nutrientes em seu novo ambiente, deste modo a fase de latência levará um tempo maior para acontecer.

        A fase II, também chamada de fase de crescimento exponencial, é a fase onde a velocidade de crescimento da célula é proporcional a concentração das células. Nesta fase as células se dividem com sua velocidade máxima, já que todos os caminhos enzimáticos para metabolizar o meio estão em funcionamento e as células estão capacitadas para utilizar os nutrientes do meio da forma mais eficiente.

        A fase III é a chamada fase estacionária, nesta fase as células ocupam um espaço biológico mínimo e a ausência de um ou mais nutrientes limita o crescimento das células. Como nesta fase os nutrientes e os metabólitos essenciais se esgotam a velocidade de crescimento celular pode ser dita como nula. Muitos produtos importantes de fermentação, como os antibióticos, são produzidos durante a fase estacionária.