Aula 03- Desenho de bioprocessos_2023

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Processos biotecnológicos: desenho, controle e otimização 
CEN0400
1S2023
www.solidworks.com
1
Tópicos avançados em biotecnologia
http://www.solidworks.com/sustainability/design/2722_ENU_HTML.htm
2
1. Princípios de desenho de bioprocessos
2. Etapas/atividades envolvidas no desenho de bioprocessos
3. Síntese de processos
4. Análise de processos
5. Simuladores de processos
6. Análise do ciclo de vida de produtos e processos
7. Fatores de impacto
8. Ferramentas computacionais para análise de ciclo de vida e bancos de dados
Conteúdo
3
É o trabalho conceitual feito antes de construir, expandir ou 
retroalimentar uma planta de processos
Planta de processos
https://www.manufacturingchemist.com
Desenho de bioprocessos
4
Síntese do bioprocesso Análise do bioprocesso
Seleção e organização de
um conjunto de operações
unitárias (passos do
processo) capazes de
produzir um determinado
produto a um custo e
qualidade aceitável.
Avaliação e comparação de 
diferentes soluções de síntese 
de processo.
Atividades envolvidas no desenho de bioprocessos
5
Fonte: https://www.cri.or.th/en/mitthai/Announcement%20and%20Discussion%20Pages/BioprocessDesign.pdf
Demetri Petrides
Tipos de estimativas durante a etapa de síntese
https://www.cri.or.th/en/mitthai/Announcement%20and%20Discussion%20Pages/BioprocessDesign.pdf
6
Fonte: https://www.cri.or.th/en/mitthai/Announcement%20and%20Discussion%20Pages/BioprocessDesign.pdf
Demetri Petrides
Tipos de estimativas de desenho durante o ciclo de vida de um produto
https://www.cri.or.th/en/mitthai/Announcement%20and%20Discussion%20Pages/BioprocessDesign.pdf
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Algumas heurísticas sugeridas para a seleção de etapas de processos de 
recuperação e purificação de bioprodutos
1- Remova as impurezas mais abundantes primeiro
2- Remova as impurezas removíveis mais facilmente primeiro.
3- Faça as etapas mais difíceis e caras da separação por último.
4- Selecione processos que façam uso das grandes diferenças nas 
propriedades dos produtos e suas impurezas.
5- Selecione e sequencie processos que explorem diferentes forças que 
levam a separação de compostos.
Síntese de processos de bioseparação
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Cada categoria de produto (intra ou extracelular) pode possuir ramificações próprias no diagrama.
A seleção de operações unitárias (métodos/etapas) é baseado nas propriedades de cada produto, 
propriedades das impurezas, e propriedades dos microrganismos, células ou tecidos usados.
Envolve (quase sempre) a construção de um diagrama com a estrutura 
generalizada da representação dos processos ou modelagem do processo como 
um todo para sua simulação
Síntese de bioprocessos consiste na sequência de passos/etapas que 
são necessárias e organizadas de acordo as 5 heurísticas mencionadas 
anteriormente
Síntese de bioprocessos
9
Síntese de processos
10
11
Informações a serem comparadas:
1- investimento de capital
2- custo de manufatura
3- impacto ambiental
4- outros critérios (ex., lucratividade)
Análise e comparação das etapas propostas no diagrama do processo 
proposto
Análise do bioprocesso
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BioProcess Simulator (Aspen Technologies, Inc.)
Realiza análise de balanço de materiais e energia, estima tamanho e custos de 
equipamentos e realiza análise econômica.
BioPro Designer (Biotechnology Process Engineering Center, MIT)
Realiza análise de balanço de materiais e energia, estima tamanho e custos de 
equipamentos, realiza análise econômica, impacto ambiental, cronograma de 
execução e gargalhos de produção em batch e processos contínuos.
Primeiros simuladores são da década de 80
Simuladores de processos
13
http://www.intelligen.com/
Overview and training videos
https://www.intelligen.com/training/videos/superpro-designer-overview-part-1/
Simuladores de processos
14
Simuladores de processos
https://www.intelligen.com/training/videos/microbial-bioprocessing-example-part-1/
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Avaliação do impacto ambiental é uma atividade muito relacionada ao 
desenho de processos e estimativa de custos. 
Avaliação do impacto ambiental é realizada pela análise do ciclo de 
vida de produtos e/ou processos
Estimativas de impacto ambiental
O que é análise do ciclo de vida 
(Life cycle assessment-LCA) ?
LCA é a abordagem sistemática de avaliação do ciclo de vida de um 
produto, desde os materiais brutos até o descarte final do produto.
Ajuda a definir os prós e contras do uso de determinado produto
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Análise do ciclo de vida
LCA é a abordagem sistemática de avaliação do ciclo de vida de um 
produto, desde os materiais brutos até o descarte final do produto.
www.cascades.com
(produção, coleta,
processamento)
(manufatura, montagem,
empaque)
(emissões, energia)
(reciclagem, descarte,
emissões, etc.)
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http://www.cascades.com/en/sustainable-development/commitment/responsibility-on-products-and-services/
www.british-gypsum.com
18
Ciclo de vida de produtos ou processos
http://www.british-gypsum.com/about-us/sustainability/life-cycle-assessments
❑ Início das propostas de uso de LCA por volta de 1960 dado as dificuldades econômicas.
❑ Entre 1970 e 1980 se tornou menos popular dado a falta de padronização.
❑ Em 2006, recebe diretrizes para análise sistemática.
Ex1: em 1969 a empresa CocaCola financiou um estudo para comparar o consumo de matéria prima e
O descarte ambiental associado com o armazenamento de bebidas.
Ex2: em 1972 Ian Boustead na Inglaterra calculou a energia total usada na produção de vários tipos 
De frascos de engarrafamento de bebidas (plástico, vidro, alumínio e aço).
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Introdução histórica
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Uso de LCA em definições de políticas públicas
1. Objetivo e definição do propósito (necessidade de informação, métodos de coleta e 
apresentação dos dados.
2. Análise detalhada do inventário do ciclo de vida (diagramação, coleta e avaliação de 
dados).
3. Levantamento de potenciais impactos associados com as fontes de materiais e emissões 
ambientais (categorias,
Pesos e resultados subsequentes).
4. Interpretação dos resultados com relação aos objetivos (avaliação, interpretação, 
conclusões e recomendações).
21
Etapas gerais de um estudo típico de LCA
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
22
Etapas gerais de um estudo típico de LCA
• Estabelecimento de políticas integradas de produção orientada por resultados de análises de ciclo de vida 
• Crescimento econômico competitivo e sustentável 
• Redução de gastos e ganhos competitivos
• Separar ou distinguir fatos científicos de valores pessoais
Desenho e produção de novos produtos deve ser feito com base em informações 
de análises de ciclo de vida
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Propósito de análise de ciclo de vida
❑Cálculo do impacto ambiental de um produto
❑Identificação de impactos positivos ou negativos de um processo ou produto
❑Encontrar possibilidades para melhorias em produtos e processos
❑Comparações e análises de vários processos baseado nos impactos gerados
❑Justificativa quantitativa em um processo de produção
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O que pode ser obtido com a análise de ciclo de vida
Produzir mais qualidade com menos recursos
Análise de ciclo de vida deve ser usado junto a 
outros análises, tais 
como análise de risco e de impacto ambiental
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Conceito de ecoeficiência
suportegerencial.com.br
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Gerenciamento do ciclo de vida de produtos
http://suportegerencial.com.br/solucao/gestao-de-ciclo-de-vida-do-produto-plm/
Categorias de informação usadas para inventário do ciclo de 
vida (Life cycle inventory-LCI) 
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Considerações para definição de entrada (input) e saída
do produto ou processo
Entradas são definidas pela energia e matéria prima
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Saídas são definidas por diversos compostos
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Saídas são definidaspor diversos compostos
32
Saídas são definidas por diversos compostos
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Inventário do ciclo de vida
34
Inventário do ciclo de vida
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Inventário do ciclo de vida
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Inventário do ciclo de vida
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Visualização de resultados da avaliação ciclo de vida
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Visualização e interpretação de resultados do ciclo de vida
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Fatores de impacto 
Dados do inventório x Fator de caracterização = Fator de impacto
Impact category (Unit) Characterisation factors Original reference(s) Examples
Acidification potential
(kg SO2 eq.)
AP, CML 2001 non-baseline (fate not included), 
Version: January 2016.
Please notice the use of non-baseline characterisation 
factors for acidification potential.
Hauschild & Wenzel (1998) 1 kg ammonia = 1.88 kg SO2 eq.
1 kg nitrogen dioxide = 0.7 kg SO2 eq.
1 kg sulphur dioxide = 1 kg SO2 eq.
Eutrophication potential
(kg PO43- eq.)
EP, CML 2001 baseline (fate not included), Version: 
January 2016.
Heijungs et al. (1992) 1 kg phosphate = 1 kg PO43- eq.
1 kg ammonia = 0.35 kg kg PO43- eq.
1 kg COD (to freshwater) = 0.022 kg kg
PO43- eq.
Global warming potential
(kg CO2 eq.)
GWP100, CML 2001 baseline Version: January 2016. IPCC (2013)
Updated January 2016
1 kg carbon dioxide = 1 kg CO2 eq.
1 kg methane = 28* kg CO2 eq.
1 kg dinitrogen oxide = 265 kg CO2 eq.
Photochemical oxidant 
creation potential
(kg C2H4 eq.)
POCP, CML 2001 baseline (high NOx), Version: 
January 2016.
Please note that this method lacks a characterisation
factor for NOx (unspecific). These emissions LCI must 
therefore be calculated as NO and NO2.
For non-specific hydrocarbons, see table below.
Jenkin & Hayman (1999),
Derwent et al. (1998)
1 kg carbon monoxide = 0.027 kg 
C2H4 eq.
1 kg ethane = 0.123 kg C2H4 eq.
1 kg toluene = 0.637 kg C2H4 eq.
http://www.environdec.com/
CML-IA is a database that contains characterization factors for life cycle impact 
assessment (LCIA) and is easily read by the CMLCA software program.
40
Fatores de caracterização para químicos e materiais
https://www.universiteitleiden.nl/en/research/research-output/science/cml-ia-characterisation-factors#downloads
http://www.springer.com/engineering/mechanical+engineering/book/978-0-412-80810-4
https://www.universiteitleiden.nl/en/research/research-output/science/cml-ia-characterisation-factors#downloads
https://openaccess.leidenuniv.nl/handle/1887/8061
https://www.universiteitleiden.nl/en/research/research-output/science/cml-ia-characterisation-factors#downloads
http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/
https://www.universiteitleiden.nl/en/research/research-output/science/cml-ia-characterisation-factors#downloads
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231098002611
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231098000533
Bancos de dados de informações para análise de ciclo
de vida (LCA e LCI)
41
http://www.ecoinvent.org/
Banco de dados de inventário de ciclo de vida
42
https://ecoinvent.org/the-ecoinvent-database/references-in-research-
education/
43
Programas para análise de ciclo de vida
http://www.eiolca.net/
44
Programas para análise de ciclo de vida
45
Análise de ciclo de vida
46
Modelos para análise de ciclo de vida
47
Informações para análise de ciclo de vida
https://www.epa.gov/research/environmental-tools-support-sustainable-decision-making
48
Ferramentas computacionais para análise de ciclo de vida
https://www.epa.gov/research/environmental-tools-support-sustainable-decision-making
49
Ferramentas computacionais para análise de ciclo de vida
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Interpretações da análise de ciclo de vida
51
Interpretações da análise de ciclo de vida
Williams A.S. Life cycle analysis: A step by step approach, ISTC, 2009.
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Limitações das análises do ciclo de vida de produtos
ou processos 
Etapas incluídas em análise do ciclo de vida do 
carbono na produção de biocombustíveis
http://www.glbrc.org/education
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http://www.glbrc.org/education
Car
Plants
Refining
Carbon in
vs. 
Carbon out
Product Transport
Farming 
practices
Feedstock Transport
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http://www.glbrc.org/education
Plants
carbon dioxide
glucose, 
cellulose and 
other 
carbohydrates
Follow the carbon atoms through the life cycle
http://www.glbrc.org/education
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http://www.glbrc.org/education
Plants
Refining
Cellulose and other plant 
carbohydrates are driven to the 
ethanol refinery
Refining
http://www.glbrc.org/education
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http://www.glbrc.org/education
glucose, 
cellulose and 
other 
carbohydrates
ethanol
carbon dioxide
Follow the carbon atoms through the life cycle
Refining
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http://www.glbrc.org/education
Car
Ethanol is taken to gas stations for 
use in cars and other vehicles.
Refining
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Car
ethanol carbon dioxide
Follow the carbon atoms through the life cycle
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carbon dioxide
Car
Plants
Carbon dioxide from ethanol 
combustion returns to the 
atmosphere. 
Plants in turn, use this pool of 
carbon dioxide for 
photosynthesis, completing the 
cycle
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Car
Plants
Refining
Carbon dioxide in
vs. 
Carbon dioxide out
Product Transport
Farming 
practices
Feedstock Transport
What other 
carbon sources 
are in the 
system?
Refining
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http://www.glbrc.org/education
Farming 
practices
Petroleum fuels for farm 
equipment (octane)
Natural gas 
to create 
fertilizer carbon dioxide
Follow the carbon atoms through the life cycle
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electricity
natural gas
carbon dioxide
Fuel sources used for the refining stage are highly variable.
Traditionally, electrical energy is supplied by hydrocarbons
such as coal and natural gas. However if nuclear,
hydroelectric or solar energy is used, there is no carbon
used. Natural gas is a hydrocarbon, and is used for heating
purposes. Cellulosic operations may burn biomass for
electrical generation and heat, which can also change the
net equation.
Refining
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http://www.glbrc.org/education
Petroleum fuels 
(octane)
Product Transport
Feedstock Transport
carbon dioxide
carbon dioxide
Follow the carbon atoms through the life cycle
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http://www.glbrc.org/education
Life Cycle Assessment calculates the net amount of
carbon dioxide entering vs leaving the system.
What does “carbon neutral” mean in this situation?
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Estudo de caso: dimensionar o impacto de poluentes e 
gases do efeito estufa usando modelos de LCA
Exercício: Identificar na medida do possível o impacto de cada etapa do 
processo de produção dos seguintes itens na produção de gases do efeito
estufa e nos poluentes do ar convencionais:
1- cana-de açúcar e de beterraba (sugarcane and sugarbeet)
2- fabricação de sorvetes (ice cream and frozen desserts)
Sugestão: usar a ferramenta http://www.eiolca.net/, com o modelo do USA 
2007 com 388 setores produtivos.
http://www.eiolca.net/
http://www.eiolca.net/
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