Otimização de Bioprocessos: Escala Industrial e Purificação

Variação de Escala em Bioprocessos

A variação de escala examina os problemas associados à transposição de dados obtidos em equipamentos de escala de laboratório para a escala de produção industrial e vice-versa. Este processo envolve dois conceitos principais:

• Scale Down: Ensaios em pequena escala para verificar certos aspectos do processo.
• Scale Up: Amplificação da escala de produção até o nível industrial.

Escala de Bancada

Nesta fase, são realizadas tarefas básicas como a seleção de microrganismos, o desenvolvimento do meio de cultura, a definição das condições de temperatura e pH, e a forma de operação do biorreator. É comum elaborar um modelo matemático para prever o desempenho do processo através de simulação, acumulando experiência para o processo fermentativo em questão e preparando a ampliação da escala para um reator piloto.

Escala Piloto

A operação da planta em escala piloto visa obter o mesmo desempenho observado na escala de bancada. O principal objetivo é a ampliação da escala, e não o estudo aprofundado da influência de fatores como meio, pH ou temperatura.

Escala Industrial

Nesta etapa, o foco principal é o lado econômico do processo e a produção em alta escala. O fermentador deve operar em condições similares às da escala piloto.

Problemas da Variação de Escala

O principal desafio da variação de escala é reproduzir na escala industrial as condições ambientais responsáveis pelo desempenho ideal do sistema.

Critérios para Ampliação da Escala

Para a ampliação da escala, são considerados diversos critérios, incluindo:

• Manutenção da semelhança geométrica.
• Constância da potência do sistema não aerado.
• Constância de tempo, mistura, velocidade, pressão parcial e oxigênio dissolvido.

Redução da Escala (Scale Down)

A redução da escala permite a incorporação de novos conceitos, a introdução de novas linhagens de microrganismos, ensaios de novos lotes de matérias-primas e a avaliação de componentes alternativos para o meio de cultivo. Uma das principais vantagens é que o custo é menor em pequena escala.

Métodos de Purificação em Bioprocessos

A purificação é um conjunto de operações unitárias essenciais em bioprocessos, que geralmente segue as seguintes etapas:

1. Clarificação: Primeira operação unitária do processo, resultando em um meio sem células. Envolve a separação de células e seus fragmentos do meio de cultivo.
2. Concentração: Métodos incluem ultrafiltração, precipitação e extração de duas fases líquidas.
3. Purificação de Alta Resolução: Etapa para refinar o produto.
4. Acondicionamento Final do Produto: Preparação para armazenamento ou uso.

Filtração Convencional

A filtração convencional é aplicada para produtos extracelulares e grandes volumes de suspensões diluídas, especialmente em situações onde a assepsia não é estritamente necessária. A torta de filtração é a fração resultante da deposição de células no meio filtrante.

A Lei de Darcy descreve a velocidade do líquido que permeia o meio filtrante, considerando a permeabilidade do leito e a diferença de pressão através dele. Um equipamento comum utilizado é o filtro rotativo a vácuo.

Centrifugação

A centrifugação utiliza a ação da força da gravidade para promover a sedimentação. É um método empregado quando as suspensões de células não podem ser tratadas por filtração e a assepsia precisa ser preservada. Este processo resulta em uma suspensão mais concentrada.

A clarificação por centrifugação é eficiente para leveduras, mas para bactérias, exige valores de força centrífuga (FC) significativos. É frequentemente comparada à microfiltração.

Filtração Tangencial

A filtração tangencial é um processo de microfiltração onde o fluido de alimentação escoa tangencialmente à superfície do meio filtrante. Durante este processo, podem ocorrer dois fenômenos principais:

1. Concentração de Polarização: Formação de uma grande quantidade de células ou solutos próximos à superfície da membrana.
2. Fouling: Bloqueio ou estreitamento dos poros da membrana, resultante da deposição de solutos.

Este processo é frequentemente conduzido com o apoio de um ou mais filtros.

Métodos Enzimáticos

Os métodos enzimáticos são utilizados quando a biomolécula é sensível à tensão de cisalhamento ou à pressão geradas pelos métodos mecânicos. Incluem a lise enzimática da parede celular e a inibição da síntese da parede.

Vantagens:

• Facilidade no controle de pH.
• Baixo investimento inicial.
• Alta especificidade para degradar a parede celular.

Desvantagem:

• Alto custo das enzimas.

Precipitação

A precipitação é um dos métodos mais tradicionais de concentração e purificação, amplamente utilizado para proteínas. Permite a redução do volume inicial e o aumento da concentração do produto.

Cromatografia

A cromatografia é uma técnica de separação baseada na migração diferencial dos diferentes solutos em um fluxo de uma fase móvel que atravessa uma camada fixa de uma fase estacionária.

Tipos de Cromatografia:

• Cromatografia por Exclusão Molecular (Gel Filtração): Separação de moléculas em função do seu volume efetivo.

Componentes da Cromatografia

• Fase Estacionária: Geralmente uma matriz (ex: gel).
• Fase Móvel: O eluente.

Outros Tipos de Cromatografia

• Cromatografia de Troca Iônica: Baseada na adsorção das moléculas sobre o leito cromatográfico, de acordo com sua carga elétrica.
• Cromatografia de Afinidade: Baseada na interação específica de determinados resíduos e aminoácidos com ligantes associados à matriz.

Cristalização

A cristalização é o processo de agregação de cristais em uma solução homogênea, utilizada para purificação e concentração de substâncias.