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BIORREATORES COM APLICAÇÃO À 
ENGENHARIA DE ALIMENTOS
UNIDADE I
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Atualização
Dra. Stela Virgilio
Elaboração
Tânya Sulamytha Bezerra
Produção
Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração
SUMÁRIO
UNIDADE I
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES ..............................................................................................................................................5
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES: IDEAIS E REAIS ...................................................................................................... 5
CAPÍTULO 2
COMPARAÇÃO ENTRE OS VÁRIOS TIPOS DE BIORREATORES E PROCESSOS, OPERAÇÃO BATCH, 
OPERAÇÃO FED-BATCH, OPERAÇÃO CONTÍNUA ......................................................................................................... 33
CAPÍTULO 3
PRODUÇÃO DE CALOR DURANTE O CRESCIMENTO CELULAR, AGITAÇÃO, TRANSFERÊNCIA DE 
OXIGÊNIO E FORMAÇÃO DE ESPUMA ............................................................................................................................... 35
REFERÊNCIAS ...............................................................................................................................................39
5
UNIDADE IINTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES: IDEAIS E REAIS
Introdução aos biorreatores
Com o avanço da biotecnologia, são comuns os produtos oriundos da 
biotransformação, entre os quais temos:
 » enzimas;
 » hormônios;
 » corantes; 
 » anticorpos;
 » antibióticos.
Outra área em crescimento está vinculada com a aplicação das técnicas de cultura 
de células e tecidos vegetais, visando à produção de mudas (micropropagação) 
em larga escala. Apesar de todos esses avanços, o uso comercial do potencial da 
biotecnologia moderna para muitas aplicações permanece limitada.
O sucesso de um processo biotecnológico depende da combinação de quatro 
elementos: micro-organismos, meio de cultura, condução do processo e 
recuperação do produto (figura 1).
6
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Figura 1. Os pilares de sucesso da tecnologia de fermentação.
Fonte: Faleiro e Andrade, 2011.
Bioprocesso é a aplicação industrial de vias biológicas ou de reações mediadas por 
células vivas inteiras de micro-organismos, animais, plantas ou enzimas sobre 
condições controladas para a biotransformação de matérias-primas em produtos 
(figura 2).
Figura 2. Esquema simplificado de um típico bioprocesso.
Fonte: Pereira Jr., 2008.
7
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
A figura 2 mostra o esquema geral de um bioprocesso típico importante para 
garantir o sucesso nas operações, ressaltando:
 » a configuração do biorreator; 
 » a forma de condução do bioprocesso; 
 » a definição das etapas de recuperação do produto. 
Podemos dividir os bioprocessos em três estágios:
 » upstream: etapa que antecede a transformação, ou a montante;
 » etapa de transformação propriamente dita;
 » downstream: etapa após transformação ou também conhecida como etapa a 
jusante.
Há autores que incluem a transformação na etapa a montante. Contudo, por 
envolverem diferentes procedimentos, optou-se pela divisão de um bioprocesso 
em três etapas e não em duas, como demonstra a figura 3.
Figura 3. Etapas fundamentais de um típico bioprocesso.
Fonte: Pereira Jr, 2008.
8
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
O bioprocesso também pode ocorrer sem resultar em um produto direto, tais como:
 » desintoxicação de resíduos;
 » biorremediação;
 » desintoxicação de efluentes, com ou sem subproduto ou derivados.
O produto do bioprocesso pode ser um alimento, um medicamento ou um composto 
industrial, em escala laboratorial ou industrial. Os primeiros biorreatores 
derivaram dos equipamentos denominados fermentadores, os quais foram, 
há muitas décadas, desenvolvidos para cultivo de bactérias e fungos para fins 
industriais.
Os fermentadores, por serem utilizados em escala industrial, apresentavam alta 
capacidade de volume, podendo chegar em torno dos 20.000 litros de líquido 
nutritivo. Esses sistemas ainda dispunham de um aparato tecnológico avançado 
com sistemas de injeção de diversos gases (oxigênio, nitrogênio e gás carbônico, 
entre outros), agitação mecânica do líquido, reposição automatizada de nutrientes 
no meio nutritivo e sistema de luz artificial para o melhor desenvolvimento do 
material inoculado no líquido de cultura. 
Os fermentadores dispõem, para melhor controle de variáveis ambientais do 
crescimento de células e micro-organismos, de monitoramento do pH, temperatura, 
crescimento de espuma, condutividade elétrica e sensores do teor de oxigênio 
dissolvido no meio de cultura (no caso de cultivo aeróbio).
Historicamente, os biorreatores são mais conhecidos por fermentadores e estão 
relacionados com o crescimento e a multiplicação de células e micro-organismos 
para a produção de alcaloides, antibióticos, entre outros derivados do metabolismo 
secundário. 
Os biorreatores, também chamados de reatores bioquímicos ou reatores 
biológicos, são reatores químicos nos quais ocorre uma série de reações químicas 
catalisadas por biocatalisadores que podem ser células vivas ou enzimas, tais 
como microbianas, animais ou vegetais. 
Os reatores biológicos são tanques, geralmente fechados, com dispositivos para 
entrada de soluções de matérias-primas e catalisadores e saída de produto, 
com dispositivos de agitação e mistura, e sistemas de circulação de água (para 
extração de calor da biorreação) e de circulação de vapor (para esterilização do 
conteúdo e do próprio tanque) (figura 4).
9
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
Figura 4. Esquema genérico de um biorreator.
Fonte: Labvirtual.
Os biocatalisadores poderão ser células ou biomoléculas com poder catalítico 
(enzimas) chamados por fermentadores, no primeiro caso, e reatores enzimáticos 
ou, mais genericamente, biorreatores, no segundo caso.
Os biorreatores com micro-organismos, entre aqueles com células vivas, são os mais 
difundidos e empregados, desde a década de 1940, para a produção industrial de 
uma série de produtos, como:
 » vitaminas; 
 » antibióticos; 
 » enzimas; 
 » solventes; 
 » ácidos orgânicos; 
 » tratamento de resíduos orgânicos industriais ou domésticos.
Os reatores com micro-organismos estão diretamente relacionados ao tipo de 
micro-organismo selecionado. Esses reatores podem ter caraterísticas bastante 
distintas no que se refere aos fenômenos de transporte (massa, calor e quantidade 
de movimento) que ocorrem no reator. Deste modo, reatores que operam com 
micro-organismos unicelulares como bactérias e leveduras apresentam, em geral, 
um comportamento reológico distinto daqueles que utilizam fungos filamentosos 
(bolores).
10
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
O biorreator de tanque agitado tem sido aplicado extensamente para cultivos 
aeróbios; contudo, não é o mais adequado para o cultivo de fungos filamentosos, 
pois podem ocorrer danos ao micélio devido ao alto grau de cisalhamento 
provocado pelo nível de agitação requerido para transferência de oxigênio. 
Existem biorreatores que operam com altas concentrações celulares (high cell 
density cultures), o que favorece elevadas velocidades de conversão do substrato 
em produto. Nos biorreatores que aplicam micro-organismos recombinantes, 
busca-se operar com concentrações celulares da ordem de 100g/l, o que exige 
condições especiais de operação. Haja vista a possibilidade de baixa produção 
específica da proteína heteróloga de interesse.
Os biorreatores com células animais são empregados para a produção de produtos 
ligados à saúde humana e animal, como:
 » anticorpos monoclonais; 
 » hormônios;
 » vacinas; 
 » fatores de crescimento. 
No que se refere às células vegetais, os biorreatores podem ser equipamentos para 
cultivo sob imersão permanente ou temporária de gemas, células, embriões ou 
qualquer tipo de propágulo que possa ser usado na micropropagação. Há exemplosde produção de princípios ativos de medicamentos, como quinina e morfina, e 
outros produtos de uso na indústria cosmética. 
Observa-se que os biorreatores que operam com as células animais e vegetais 
apresentam características peculiares em relação às células microbianas, 
destacando-se, entre elas, a elevada sensibilidade ao cisalhamento. Em virtude disto, 
é imprescindível a utilização de biorreatores específicos para diminuir a tensão de 
cisalhamento, tais como reatores airlift, ou os reatores com membranas.
Embora todos esses avanços, o uso comercial da biotecnologia moderna para 
muitas aplicações permanece limitada, devido ao conhecimento insuficiente de 
engenharia de bioprocessos para o sucesso de projetos e do aumento de escala 
das pesquisas em laboratório.
A fermentação alcoólica ou o tratamento biológico de resíduos requer pouco ou 
até mesmo nenhum cuidado de assepsia, podendo abranger biorreatores com 
alguns milhares de metros cúbicos de capacidade. 
11
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
Um biorreator precisa ter boa capacidade de mistura para se atingir uma 
distribuição homogênea do oxigênio transferido, bem como de outros nutrientes. 
A hidrodinâmica do biorreator também afeta seu desempenho em parâmetros tais 
como a transferência de calor e massa. A natureza dos fluidos afeta o transporte de 
oxigênio e o fenômeno da mistura.
Os biorreatores podem se agrupar em duas amplas categorias:
 » categoria 1: biorreatores cujas reações ocorrem na ausência de células vivas, 
ou seja, são tipicamente os reatores enzimáticos. Alguns autores se referem à 
categoria 1 como “reatores bioquímicos”;
 » categoria 2: biorreatores cujas reações se processam na presença de células 
vivas. Usa-se a denominação “reatores biológicos” apenas aos reatores que 
operam com as células vivas.
Muitos biorreatores são usados em processos biotecnológicos, e o projeto e o 
desenvolvimento de bioprocessos obedecem a uma sequência, cujo centro é 
representado por um biorreator, seguido pelo desenvolvimento de sistemas de 
separação e purificação dos produtos. Os sistemas de troca de calor, o sistema de 
controle e os utilitários completam o processo. 
O projeto do biorreator envolve vários aspectos, como:
 » formas de operação; 
 » fenômenos de transporte; 
 » cinética das reações; 
 » questões da estrutura física.
A fase de projeto é uma etapa determinante e pode envolver uma série de questões 
mais ou menos complexas. Assim, no projeto do biorreator, é necessário:
 » seleção do tipo de reator;
 » obtenção de dados químicos e físico-químicos para a caracterização da 
reação, ou seja, dados cinéticos e termodinâmicos das reações desejadas e 
das reações secundárias obtidas quer teórica ou experimentalmente;
 » mecanismo controlador do sistema reacional:
 › cinético; 
 › transferência de massa;
12
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
 › de calor.
 » influência do tipo de:
 › escoamento; 
 › mistura; 
 › transferência de calor.
 » seleção das condições operatórias:
 › seletividade;
 › grau de seleção; 
 › rendimento.
 » controle da reação e estabilidade dos produtos finais obtidos; 
 » projeto mecânico;
 » seleção dos materiais;
 » aspectos econômicos:
 › avaliação dos custos de capital;
 › avaliação dos custos de produção.
 » requisitos de manutenção.
O design dos biorreatores faz-se, porém, com obediência a princípios comuns, 
requerendo balanços de massa e de energia com a inclusão da lei cinética de 
crescimento ou de produção de produto, que pode ou não estar associado ao 
crescimento.
Vários tipos de biorreatores foram desenvolvidos de acordo com o produto 
requerido e as exigências dos agentes biológicos empregados:
 » a substância a ser catalisada é líquida e homogênea e usam-se biorreatores 
para processos submersos que, em escala laboratorial, são:
 › controle de temperatura; 
 › pH; 
 › frascos fechados esterilizados;
 › com ou sem agitação;
13
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
 › produto formado; 
 › aminoácidos disponíveis; 
 › consumo de fontes de nitrogênio e carbono.
 » substância sólida: biorreatores podem ter formas diferentes e serem abertos ou 
fechados. Características:
 › controle dos parâmetros dificultados pela heterogeneidade do meio;
 › tambores, rotativos ou não, tubos imersos em água para melhor controle 
de transferência de temperatura e bandejas fechadas ou abertas são 
considerados reatores estáticos, com ou sem aeração forçada. 
Entre as várias classificações indicadas na literatura, os biorreatores podem se 
classificarem quanto: 
 » à configuração do biocatalisador:
 › células/enzimas livres;
 › imobilizadas. 
 » ao tipo de biocatalisador:
 › células;
 › enzimas.
 » à escala;
 » à forma de se agitar o líquido no reator.
A capacidade dos biorreatores industrial depende do processo em questão, sendo 
bastante variável (tabela 1). Podem ser distintos em três grupos:
 » pequena escala: capacidade de centenas de litros até 1 a 2 m3, usado no 
cultivo de micro-organismos patogênicos e crescimento de células vegetais e 
animais, com o objetivo da produção de produtos ligados à área da saúde;
 » escala intermediária: capacidade de dezenas de m3 a 100-200 m3, usado na 
produção de enzimas, antibióticos e vitaminas;
 » grande escala: capacidade de milhares de m3, usado na fermentação alcoólica 
ou tratamento de resíduos.
Observação: 1 m3 equivale a 1000l.
14
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Tabela 1. Dimensões de fermentadores para alguns processos fermentativos.
Volume do fermentador (m3) Produto
1-20 Enzimas de diagnóstico e substâncias para biologia molecular.
40-80 Antibióticos e algumas enzimas.
100-150 Antibióticos aminoglicosídicos, penicilina, proteases, 
transformação de esteroide, amilases, aminoácidos.
450 Aminoácidos, exemplo, ácido glutâmico.
Fonte: Schmidell et al., 2001.
Classificação quanto à natureza das fases (tabela 2):
 » reatores homogêneos (1 fase). 
 › ex.: reações em fase gasosa; 
 › reações líquido-líquido (catalisador).
 » reatores heterogêneos (2 ou mais fases).
 › ex.: gás-sólido; 
 › gás líquido; 
 › gás líquido-sólido (catalisador).
Tabela 2. Natureza de fases.
Catalíticos Não catalíticos
Homogêneos Maioria das reações em fase gasosa.
Reações rápidas, como a combustão de gases.
Maioria das reações em fase líquida.
Reações em sistemas coloidais.
Reações enzimáticas e microbianas.
Heterogêneos
Queima de carvão.
Ataques ácidos em sólidos.
Absorção gás-líquido com reação.
Redução de minério de ferro.
Síntese de amônia.
Oxidação da amônia para produzir ácido nítrico.
Craqueamento de óleo cru.
Oxidação de SO2 a SO3.
Fonte: Fábrega, 2012.
Outra classificação, conhecida como classificação mista, é baseada no tipo de 
biocatalisador empregado (enzima, micro-organismo aeróbio ou anaeróbio) e 
na configuração deste (livre, imobilizado ou confinado entre membranas). A 
classificação mista é dividida em dois grandes grupos, como biorreatores em fase 
aquosa e biorreatores em fase não aquosa. As suas subdivisões são as seguintes:
15
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
 » reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
 › Células/enzimas livres:
 › reatores agitados mecanicamente (STR: stirred tank reactor): mais 
amplamente usados, conhecidos também como reatores de mistura, 
constituindo cerca de 90% do total de reatores utilizados industrialmente. 
Consiste em um tanque cilíndrico, no qual são comuns relações entre a 
altura e o diâmetro de 2:1 ou 3:1. Normalmente o reator é equipado com 
chicanas (baffles), cuja função é evitar a formação de vórtice (movimentos 
espirais ao redor de um centro de rotação) durante a agitação do líquido. 
O agitador é montado em um eixo central ao fermentador, possuindo, ao 
longo de sua altura, uma série de turbinas; 
 › reatores agitados pneumaticamente: ausência do agitador mecânico, 
sendo a agitação do líquido efetuada apenas pelo borbulhamento 
de um gás (normalmente ar) no reator. Assim há menores tensõesde cisalhamento, o que os torna atraentes para o cultivo de células 
animais e vegetais;
 › reatores air-lift: movimentação cíclica do fluido, bem definida, por meio 
de dispositivos e arranjos internos construídos especialmente para esse 
propósito. São chamados loop reactors;
 › coluna de bolhas (bubble column): movimento aleatório do líquido no 
biorreator. São chamados de reatores tipo torre;
 › reatores de fluxo pistonado (plug-flow): o inóculo e o meio de cultura 
são misturados na entrada do sistema, sendo que idealmente a cultura 
flui com uma velocidade constante, sem ocorrer mistura longitudinal 
(backrnix).
 › Células/enzimas imobilizadas em suportes: o biocatalisador se encontra 
imobilizado em um suporte inerte, por exemplo, alginato, K-carragena, 
pectina, ou ainda em materiais cerâmicos, vidro, sílica e outros. O objetivo 
deste biorreator é a manutenção de elevadas concentrações celulares, 
podendo-se atingir, consequentemente, elevadas produtividades no 
processo em questão:
 › reatores com leito fluidizado: movimentação intensa das partículas, 
sendo que a fluidização do leito pode ser provocada pela injeção de 
ar, ou de um gás inerte, ou ainda pode ser obtida por uma corrente de 
recirculação de líquido no reator;
16
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
 › reatores com leito fixo: a movimentação relativa das partículas (pellets) é 
praticamente inexistente.
 › Outras concepções.
 › Células/enzimas confinadas entre membranas: células confinadas entre 
membranas semipermeáveis (entrapped biocatalyst), as quais permitem o fluxo 
de líquido, mas não a passagem de células. Esse tipo de biorreator normalmente 
prevê a separação entre os fluxos de nutrientes e produtos metabólicos:
 › reatores com lâminas de membranas planas: as tensões de cisalhamento 
são mínimas, sendo indicado para alguns tipos de células animais 
extremamente sensíveis ao cisalhamento. Tem-se neste tipo de biorreatores 
menores obstáculos difusionais, podendo-se igualmente manter elevadas 
concentrações celulares;
 › reatores de fibra oca (hollow-fiber): consiste em um feixe de fibras capilares 
de material semipermeável, no interior das quais ocorre escoamento 
laminar do meio de cultura, permanecendo as células retidas na região 
anular entre as fibras.
 » Reatores em fase não aquosa (fermentação semissólida): ausência de 
água livre, com teor de umidade variando de 30 a 80%. É também chamada 
de fermentação sólida ou em estado sólido. É um processo microbiano que se 
desenvolve na superfície de materiais sólidos, que apresentam a propriedade de 
absorver ou de conter água, com ou sem nutrientes solúveis. Vejam-se: 
 › reatores estáticos (reatores com bandejas);
 › reatores com agitação (tambor rotativo);
 › reatores com leito fixo ou com leito fluidizado gás-sólido: ambos promovem 
a passagem de ar ou de um gás inerte por meio de um leito de partículas 
sólidas. No caso do leito fluidizado, a vazão do gás é suficientemente elevada, 
de maneira a propiciar a suspensão dos sólidos na corrente gasosa. Desta 
forma, promove uma melhor condição de transferência de massa no sistema 
(nutrientes, oxigênio). Além de auxiliar no controle da temperatura.
Em suma, existem diversos tipos de reatores, de acordo com:
 » modo de operação:
 › contínuo;
 › bateladas. 
17
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
 » movimentação do eletrodo:
 › estático;
 › dinâmico. 
 » geometria do eletrodo:
 › plana;
 › tridimensional. 
 » extração do produto:
 › contínua;
 › intermitente.
 » material de construção.
Diante de tantas possibilidades, observa-se que há uma grande diversidade de 
biorreatores a serem utilizados em um determinado processo fermentativo, e a 
melhor opção dependerá das características do processo em questão, bem como do 
micro-organismo utilizado.
O texto do link a seguir demonstra a importância estratégica da automação no 
controle da fermentação semissólida. 
O texto está disponível em: https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/
publicacao/28643/instrumentacao-para-automacao-de -processo-de -
fermentacao-semi-solida. 
Biorreatores ideais e não ideais
Os biorreatores ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo 
matemático específico a partir de condições pré-estabelecidas e que aplicado 
às condições reais se ajustam adequadamente. Portanto, permitem o perfeito 
controle sobre as condições de mistura, transferência de massa e calor. Assim:
 » em reatores batelada e tanques agitados, ocorre a mistura completa do 
sistema reacional, com homogeneização das variáveis do sistema;
 » em reatores tubulares considera-se escoamento pistonado no qual não se 
observam alterações das variáveis do sistema na direção axial.
Os reatores ideais podem ser:
18
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Reator descontínuo (ou Batelada ou Batch Reator)
É um reator constituído por um tanque com agitação mecânica nos quais todos 
os reagentes são introduzidos em uma única vez. Em seguida, são misturados e 
reagem entre si. Após um tempo, os produtos obtidos são descarregados de uma 
única vez deste reator (figura 5a). 
Quanto à construção, o reator em batelada é simples; necessita de poucos acessórios 
e é ideal para estudos experimentais de pequena escala sobre cinética de reação. 
Industrialmente, ele é usado quando são tratadas quantidades relativamente 
pequenas de material.
Figura 5. Principais tipos de reatores ideais.
Fonte: Fábrega, 2012.
Reator tubular 
Este reator recebe na literatura os nomes de reator com escoamento (fluxo) 
pistonado (PFR – Plug Flow Reactor), reator tubular ideal (Ideal Tubular Flow) e 
reator com escoamento sem mistura (Unmixed Flow). 
Consiste de um tubo vazio por onde passa a mistura reacional. É um tubo sem 
agitação no qual todas as partículas escoam com a mesma velocidade na direção do 
fluxo (figura 5b).
O reator com escoamento pistonado consiste em um tubo cilíndrico (ou feixe 
de tubos) no qual um ou mais reagentes fluidos são bombeados e a reação 
química ocorre à medida que os reagentes escoam por esse tubo. Os reagentes 
são continuamente consumidos à medida que avançam no reator ao longo de seu 
comprimento.
19
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
Os reagentes podem ser introduzidos no reator com escoamento pistonado em 
diferentes pontos do reator, a fim de obter maior eficiência do processo ou como 
forma de reduzir o tamanho e o custo do reator.
Os reatores com escoamento pistonado são usados para modelar a transformação 
química de compostos que como eles são transportados em sistemas semelhantes a 
tubos. O tubo pode representar uma grande variedade de condutos de engenharia 
ou naturais por meio dos quais fluem líquidos ou gases.
As vantagens do reator com escoamento pistonado são:
 » reator com escoamento uniforme;
 » manutenção relativamente fácil (não há partes móveis);
 » opera por longos períodos de tempo sem manutenção;
 » custo semelhante ao de um trocador de calor;
 » tem uma conversão por unidade de volume alta;
 » produz a conversão mais alta por volume de reator dentre os reatores com 
escoamento;
 » taxa de transferência de calor pode ser otimizada pelo uso de tubos mais ou 
menos finos, tubos mais grossos em paralelo.
As desvantagens do reator com escoamento pistonado são:
 » temperaturas podem resultar em gradientes de temperatura indesejáveis;
 » difícil de controlar a temperatura do reator;
 » podem ocorrer pontos quentes quando a reação é exotérmica.
Reatores com escoamento pistonado são usados para as seguintes aplicações:
 » reações rápidas;
 » reações de larga escala;
 » reações homogêneas;
 » reações heterogêneas;
 » reações a altas temperaturas;
 » produção contínua.
20
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Em um reator de escoamento pistonado, as partículas de fluido entram 
continuamente em uma extremidade do tanque, passam por meio dele e são 
descarregadas na outra extremidade, na mesma sequência que entram. Um 
reator de escoamento pistonado (PFR) possuitipicamente uma eficiência maior 
que um reator de mistura perfeita (CSTR) para um mesmo volume de reator, ou 
seja, dado um mesmo tempo de residência, uma reação terá maior conversão em 
um PFR do que em um CSTR.
Reator de mistura ou Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)
É um tanque agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo de reagentes ou 
produtos e é operado de acordo com as seguintes características:
 » composição uniforme dentro do reator; 
 » a composição de saída é igual à composição do interior do reator;
 » a taxa da reação é a mesma em todo o reator, inclusive na saída. 
Em um CSTR (figura 5c) um ou mais reagentes fluidos são introduzidos no reator, 
equipado com um agitador, enquanto o efluente do reator é removido. O agitador 
mistura os reagentes assegurando uma homogeneização do sistema reativo.
Em um reator de mistura completa, as partículas que entram no tanque são 
imediatamente dispersas em todo o corpo do reator. A mistura completa pode ser 
obtida em tanques circulares ou quadrados se o conteúdo do tanque for contínuo e 
uniformemente distribuído.
O fluxo de entrada e saída é contínuo. As partículas deixam o tanque em proporção 
à sua distribuição estatística. Quando em regime estacionário, a taxa mássica de 
alimentação dos reagentes é igual à taxa mássica dos efluentes.
Normalmente, por questões econômicas, utilizam-se reatores em série, que em 
geral são de tamanhos diferentes, a fim de proporcionar uma alta conversão. Logo, 
são necessários reatores de grandes volumes para se obter uma alta conversão. A 
conversão do reagente por unidade de volume é a menor dentre os reatores com 
escoamento contínuo.
Para cada um destes três principais tipos de reatores ideais (Batch, PFR, CSTR), 
uma pergunta básica que permite distinguir bem os três reatores entre si é a 
seguinte. O que ocorre com a composição no meio reacional de um reator X se 
forem coletadas alíquotas de seu interior:
 » em locais diferentes ao mesmo tempo?
21
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
 » em tempos diferentes de um mesmo local?
As respostas estão na tabela 3.
Tabela 3. Análise da variação da concentração em função do tempo em uma posição fixa ou da 
variação da concentração em função da posição no reator em um tempo fixo.
Reator Variação de Ci com o tempo Variação de Ci no espaço
Batch Varia Não varia
PFR Não varia Varia
CSTR Não varia Não varia
Fonte: Fábrega, 2012.
O substrato aplicado pode estar na forma natural como bagaço de cana, sabugo de 
milho, produtos ou resíduos agroindustriais – de baixo ou nenhum valor, e, na forma 
sintética, a argila.
As principais anomalias presentes em escoamentos não ideais são (figura 6): 
 » existência de zonas de estagnação do fluido ou zonas mortas; 
 » segregação, resultante das condições de mistura;
 » existência de canalização, especialmente em operações em contracorrente; 
 » curto-circuitagem extrema e subpassagem do fluido; 
 » dispersão axial em reatores tubulares.
Figura 6. Principais anomalias presentes em escoamentos não ideais.
Fonte: Levenspiel, 2000.
22
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Há várias maneiras de conduzir a fermentação. O reator biológico pode ser operado 
de forma descontínua, semicontínua, descontínua alimentada (ou batelada 
alimentada) ou contínua, todas podendo trabalhar com ou sem recirculação do 
fermento.
Processo em batelada ou Batch Reactor (BSTR – Batch Stirred 
Tank Reactor ou SBR – Stirred Batch Reactor)
Esse processo também é conhecido como processo descontínuo, cuja descrição 
típica pode ser enunciada da seguinte forma: 
 » preparação do meio de cultura adequado à nutrição e ao desenvolvimento do 
micro-organismo e também ao acúmulo do produto desejado; 
 » adição do meio de cultura em um biorreator; 
 » adição do micro-organismo responsável pelo processo biológico e aguarda-se 
que o processo ocorra;
 » após um determinado tempo de fermentação, retira-se o caldo fermentado do 
reator e executam-se as operações unitárias necessárias para a recuperação do 
produto.
Nesse tipo de reator, as variáveis como temperatura e concentração não variam com 
a posição dentro do reator, mas variam com o tempo. É alimentado por meio de 
aberturas no topo. Um esquema de um reator descontínuo encontra-se na figura 
abaixo (figuras 7 e 8).
Figura 7. Exemplo de um biorreator descontínuo.
Fonte: Fábrega, 2012.
23
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
Figura 8. Partes de um reator batelada ou descontínuo.
Fonte: Fábrega, 2012.
O reator batelada é constituído tipicamente por um tanque com agitador e um 
sistema integrado de aquecimento/resfriamento. Podem variar de tamanho de 1 l a 
15000 l. Geralmente são fabricados em:
 » aço inoxidável; 
 » aço recoberto com vidro;
 » ligas especiais.
No reator batelada, os líquidos e sólidos normalmente são carregados no topo do 
reator e retirados pelo fundo. Vapores e gases são carregados pelo fundo do reator e 
retirados pelo topo. Sua principal vantagem é a versatilidade. Demais componentes: 
 » agitador com lâminas impelidoras acopladas ao eixo central;
 » chicanas (baffles) para quebrar o fluxo causado pelo agitador e aumentar a 
mistura do sistema.
O reator batelada é usado em:
 » operação em pequena escala; 
 » testes com novos produtos com capacidade de conversão baixa, pois o processo 
em batelada tem menor investimento de capital do que o processo contínuo;
24
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
 » testes de novos processos não completamente desenvolvidos;
 » fabricação de produtos caros;
 » processos de difícil conversão em operações contínuas. 
Amplamente utilizado nas indústrias de processos químicos, em diversas aplicações: 
 » dissolução de sólidos; 
 » reações químicas; 
 » destilação; 
 » mistura de produtos; 
 » extração líquido/líquido; 
 » cristalização; 
 » polimerização etc.
No reator em batelada há certa dificuldade na produção em grande escala. Está 
associado ao alto custo de mão de obra por batelada, por causa do tempo perdido 
durante a alimentação, ao esvaziamento e à limpeza (o chamado “tempo morto”), 
que podem até inviabilizar o processo. A qualidade do produto é mais variável do 
que em reator de operação contínua.
Características do reator batelada:
 » usado para produção em pequena escala;
 › fabricação de produtos de alto valor agregado;
 › teste de novos processos;
 › processos difíceis de se converter em operações contínuas (difícil controle);
 » não admite entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o 
processamento da reação;
 » possibilita altas conversões, pois pode ser adotado um longo tempo de 
residência dos reagentes no reator;
 » composição varia no tempo (dispositivo essencialmente transiente);
 » custo de mão de obra é alto;
 » dificuldade de produção em larga escala;
25
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
 » requer pouca instrumentação;
 » operação pode ser feita a temperatura e/ou pressão constantes;
 » fácil de limpar;
 » flexibilidade de operação no mesmo reator;
 » obtenção de produtos diferentes.
No que se refere à manutenção e assepsia, o processo descontínuo é considerado 
o mais seguro, pois, ao final de cada batelada, o reator pode ser esterilizado 
juntamente com um novo meio de cultura, recebendo um novo inóculo que deve 
ser submetido a todos os controles necessários para assegurar a presença única do 
micro-organismo responsável pelo processo. 
Além do menor risco de contaminação, esse processo apresenta grande 
flexibilidade de operação pela possibilidade de utilização dos fermentadores 
para a fabricação de diferentes produtos e por permitir uma melhor condição de 
controle com relação à estabilidade genética do micro-organismo.
A fermentação em batelada pode levar a baixos rendimentos e produtividades 
quando o substrato é adicionado de uma só vez, no início da fermentação, exercendo 
efeitos de inibição, repressão ou desvio do metabolismo celular a produtos que não 
interessam.
Reator batelada encamisado (camisaexterna simples) 
Em grandes reatores esse sistema de aquecimento pode demorar muito tempo 
para ajustar a temperatura. A distribuição de transferência de calor não é ideal 
(figura 9).
Figura 9. Reator batelada encamisado.
Fonte: Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor#/media/File:Batch_reactor.2.jpg. 
26
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Reator batelada com camisa externa (meia cana) 
É construído soldando-se uma metade de tubo à parede externa do reator. 
Permite uma transferência de calor melhor que o reator encamisado e 
aquecimento/resfriamento mais uniforme (figura 10).
Figura 10. Reator batelada com camisa externa.
Fonte: Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor#/media/File:Final_half_coil_vessel.JPG. 
Reator batelada encamisado com fluxo constante (coflux) 
É um tipo de reator relativamente recente. Tem uma série de camisas e uma 
válvula para regular a área encamisada, variando a área de transferência de calor, 
possibilitando assim regular a temperatura do processo sem precisar alterar a 
temperatura na camisa (figura 11).
Figura 11. Reator batelada encamisado com fluxo constante.
Fonte: Disponível em: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coflux_jacket.JPG. 
27
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
Batelada alimentada, também conhecida como “Melle-Boinot”, é um processo em 
que o substrato é alimentado sob condições controladas até atingir o volume do 
biorreator. Esse processo, apesar de antigo, é muito conveniente e satisfatório 
quanto à operação e eficiência de conversão de açúcares a álcool.
Características:
 » vazão de alimentação constante ou variável com o tempo;
 » adição de mosto de forma contínua ou intermitente;
 » flexibilidade de utilização de diferentes vazões de enchimento dos reatores 
com meio nutriente;
 » controle da concentração de substrato no fermentador;
 » metabolismo microbiano pode ser deslocado para uma determinada via 
metabólica, levando ao acúmulo de um produto específico;
 » processo eficiente e versátil;
 » usado na fermentação alcoólica. 
Em tal processo, especialmente naqueles com altas densidades celulares, a 
produtividade é alta devido ao grande número de células viáveis no meio em 
fermentação. 
A batelada alimentada permite o controle da concentração de açúcar, minimizando 
os efeitos de inibição pelo substrato e permitindo a sua adição em momentos 
propícios durante a fermentação.
Processo contínuo ou em estado estacionário
O processo contínuo caracteriza-se por apresentar uma alimentação contínua 
do meio de cultura a uma determinada vazão, sendo o volume de reação mantido 
constante pela retirada contínua do caldo de fermentação. É importante manter o 
cultivo contínuo sob regime estacionário, isto é, quando as propriedades do meio 
permanecem constantes com o tempo em cada ponto. 
O reator contínuo é constituído por um ou mais tanques bem agitados em operação 
contínua. Sua construção é simples e o controle é automático. É ideal para o 
processamento industrial quando as velocidades de reação e de produção são 
bastante elevadas. 
28
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Há necessidade de muitos acessórios, porém, em compensação, obtém-se 
um excelente controle de qualidade do produto. Este é um tipo de reator que é 
largamente utilizado na indústria petrolífera. 
Por exemplo, o processo contínuo de fermentação alcoólica pode ser dividido em 
três partes: 
 » unidade de tratamento ácido; 
 » fermentadores;
 » unidade de separação de células (centrífugas). 
O número total de dornas de fermentação e o volume de cada uma delas tem sido 
objeto de estudo para diversos pesquisadores.
As características do reator contínuo são:
 » custo de mão de obra reduzido;
 » elevado custo do investimento; 
 » maior produtividade;
 » automação;
 » reagentes e produtos são respectivamente alimentados e retirados 
continuamente do reator;
 » constância na qualidade dos produtos;
 » composição do sistema em um dado ponto do reator é constante no tempo;
 » tais reatores são usados em processos para produção em grande escala;
 » requerem instrumentação para monitoramento constante das variáveis do 
processo.
Tal processo pode ser mais vantajoso que o de batelada ou batelada alimentada, 
pois inclui:
 » período longo de produtividade contínua; 
 » otimização das condições de processo para uma maior produtividade; 
 » maior uniformidade do produto; 
 » maior produtividade volumétrica; 
29
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
 » redução do tempo de limpeza e sanitização das dornas;
 » redução dos custos laboratoriais uma vez alcançado o estado desejado;
 » maior facilidade de controle automático.
A maior desvantagem é que as fermentações contínuas são mais suscetíveis à 
contaminação bacteriana por longos prazos de exposição.
A fermentação contínua é um processo que requer maior conhecimento do 
comportamento do micro-organismo em relação ao meio ambiente onde ele atua e 
ao controle do processo. Fatores que influenciam na produtividade do sistema:
 » pH;
 » temperatura; 
 » concentração de sacarose e álcool; 
 » concentração de biomassa; 
 » viabilidade celular, dentre outros.
Os principais processos podem ser divididos em: 
 » fermentação em dorna única: em que todo o processo é realizado numa única 
dorna; 
 » mistura completa: onde o teor de açúcares e de álcool é constante;
 » fermentação em cascata: em que as dornas individuais são conectadas em 
série, passando-se consecutivamente de uma para outra.
O sistema em batelada alimentada apresenta maior rendimento, maior teor 
alcoólico no final da fermentação, maior flexibilidade e é menos sujeito às 
contaminações. O sistema contínuo apresenta menor custo de instalação, 
automatização mais fácil e menor volume de equipamentos, tais como dornas e 
trocadores de calor.
Entre os reatores em estado estacionário, citem-se os reatores de mistura completa 
(CSTR) e os tubulares (PFR), estes já foram explanados anteriormente. A seguir, 
citaremos outros tipos de reatores em estado estacionário.
Reator de Fluxo Oscilatório (OFM - Oscillatory Flow Mixing Reactor):
 » geometria é discretizada;
30
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
 » comportamento próximo de um reator PFR;
 » é um tipo de reator tubular que tem chicanas internas, comporta-se como se 
fosse um CSTR;
 » requer um volume bem menor que o de um reator batelada para o mesmo 
propósito;
 » apresenta melhora na transferência de calor e de massa;
 » usado para produção de produtos químicos que requerem longo tempo de 
reação.
Reator de Leito Recheado ou de Leito Fixo (PBR – Packed Bed Reactor):
 » é semelhante a um reator tubular (PFR);
 » é recheado com partículas de catalisador sólido; 
 » não apresenta gradientes radiais de temperatura, concentração ou velocidade 
de reação na direção radial, variando apenas axialmente;
 » apresenta as mesmas dificuldades de controle de temperatura dos reatores 
tubulares;
 » é essencialmente um reator heterogêneo utilizado para catalisar reações em 
fase gasosa (reagentes e produtos gasosos e catalisador sólido);
 » a formação de canais preferenciais de escoamento do gás gera uma utilização 
ineficiente do leito catalítico;
 » apresenta uma desvantagem com relação à dificuldade de substituição do 
catalisador;
 » custo do catalisador torna este reator mais caro que um trocador de calor;
 » para a maioria das reações, produz a mais alta conversão por massa de 
catalisador;
 » escoamento é considerado como sendo de fluxo pistonado.
Reator de Leito Fluidizado (Fluidized Bed Reactor – FBR):
 » o reator de leito fluidizado é similar a um reator tanque agitado no sentido de 
que seu conteúdo;
 » é um sistema heterogêneo;
31
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
 » é bem misturado, resultando em uma distribuição homogênea de temperatura 
através do leito, evitando-se pontos quentes no reator;
 » pode ser usado em um grande número de aplicações;
 »não pode ser modelado como um reator tubular e nem como um de tanque 
agitado, requerendo um modelo próprio; 
 » apresenta fácil substituição e/ou regeneração do catalisador; 
 » equipamento de alto custo;
 » fluidização ocorre quando pequenas partículas sólidas (podem ser o próprio 
catalisador) são suspensas por uma corrente ascendente de fluido;
 » tem capacidade de processar grandes volumes de fluido;
 » as partículas sólidas circulam rapidamente no leito, criando excelente condição 
de mistura entre elas;
 » excelentes características de transferência de massa.
 » Principais desvantagens: 
 › volume do reator é grande; 
 › erosão dos componentes internos;
 › alto custo de energia de compressão do fluido; 
 › alta perda de carga; 
 › arraste de partículas; 
 › dificuldade de entendimento e modelagem.
Processo semibatelada ou semicontínuo
Inclui todos os reatores que não se enquadram nas classificações anteriores 
(batelada ou contínuo). Nestes tipos de reatores, processa-se uma operação com 
características intermediárias entre as descritas anteriormente: há variação de 
composição da massa reagente no tempo (característica do reator de batelada) e, 
simultaneamente, a adição de um reagente, ou a purga de um ou mais produtos 
de reação de modo contínuo – característica do reator contínuo – (figura 12c, 12d 
e 12e). Permite um bom controle da reação (reagente é alimentado aos poucos).
32
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
A sua análise é mais difícil comparada com outros tipos de reatores. Oferece um 
bom controle de velocidade de reação e de temperatura.
Embora tenha essencialmente as mesmas desvantagens de um reator batelada, 
apresenta a vantagem de permitir um bom controle de temperatura e a capacidade 
de minimizar reações laterais indesejáveis por meio da manutenção de uma baixa 
concentração de um dos reagentes.
Este reator tem uma variedade de aplicações, desde titulações calorimétricas em 
laboratório aos altos fornos para produção de aço, requer mão de obra, é muito 
usado em reações bifásicas (borbulhamento de gás) e sua composição varia no 
tempo.
Figura 12. Tipos de reatores ideais: (a) reator de batelada; (b) reator contínuo; (c), (d) e (e) várias 
formas do reator semibatelada.
Fonte: Levenspiel, 2000.
Para finalizar, a tabela 4 apresenta um resumo da análise da variação do volume e 
da composição do meio reacional em função do tempo em cada tipo de biorreator 
convencional apresentado na figura 12.
Tabela 4. Análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo 
para diferentes formas de operação de um biorreator.
Exemplo Operação Volume Composição
A Batelada Constante Variável
B Continua Constante Constante (no mesmo ponto)
C Semibatelada Variável Variável
D Semibatelada Variável Constante
E Semibatelada Constante Variável
Fonte: Levenspiel, 2000.
33
CAPÍTULO 2
COMPARAÇÃO ENTRE OS VÁRIOS TIPOS DE BIORREATORES 
E PROCESSOS, OPERAÇÃO BATCH, OPERAÇÃO FED-BATCH, 
OPERAÇÃO CONTÍNUA
Neste capítulo faremos um comparativo entre os vários tipos de biorreatores e 
processos, operação batch, operação fed-batch, operação contínua, descrevendo as 
características, vantagens e desvantagens e utilização (tabela 5).
Tabela 5. Vantagens, desvantagens e uso dos vários tipos de reatores ideais.
Tipo Características Vantagens Desvantagens Utilização
Descontínuo, 
Batch ou 
Intermitente
Sistema fechado.
Estado não estacionário. 
Reagentes no início da 
etapa e retiram-se os 
produtos no final.
Elevada conversão.
Baixo custo inicial.
Recipiente facilmente 
aquecido ou arrefecido.
Fácil manutenção.
Flexibilidade de 
operação.
Alto custo operacional.
Operação e qualidade 
do produto mais variável 
do que em operação 
contínua.
Usos nas indústrias 
cosmética e de 
fermentação.
Reações em fase líquida.
Tempos de residência altos.
Estudos de laboratório.
Produtos de alta pureza.
Semibatch ou
Semicontínuo
Um dos reagentes é 
colocado no início e 
o outro reagente em 
contínuo (pequena 
concentração).
Ou um dos produtos 
pode ser removido 
continuamente para 
evitar reações paralelas.
Flexibilidade 
operacional.
Boa seletividade.
Baixa concentração de 
um reagente.
Bom controle de 
temperatura.
Condensador de refluxo.
Alto custo operacional.
Baixa produção.
Qualidade do produto 
variável.
Indústria biológica e 
farmacêutica.
Reações altamente 
exotéricas.
Reações em fase líquida.
Baixa concentração de um 
reagente.
Retirar produtos gasosos.
Química fina.
CSTR ou reator 
com agitação
perfeita ou ideal 
contínuo
Operação contínua.
Sistema aberto.
Agitação perfeita.
Estado estacionário.
Fácil controle da 
temperatura.
Produção em grande 
escala.
Adaptação fácil a 
reações com duas fases.
Simples construção.
Quando ocorrer má 
agitação, existe a 
possibilidade de curtos-
circuitos.
Baixa conversão por 
unidade de volume.
Reações em:
fase líquida, 
gás líquido,
sólido-líquido.
PFR ou Tubular
Tipo pistão
Contínuo
Sistema aberto.
Estado estacionário.
Operação contínua.
Em uma secção 
transversal a 
concentração é 
constante.
Temperatura e 
conversão são função 
do comprimento.
Baixo custo operacional.
Elevada conversão por 
unidade de volume.
Boa transferência 
térmica.
Controle de temperatura 
deficiente.
Gradientes térmicos e de 
concentrações radiais.
Paragem e limpeza 
muito onerosas.
Para cada fluxo, há 
tempos de residência 
diferentes.
Temperaturas elevadas.
Fase gasosa.
Alta produção.
Reatores homogéneos ou 
heterogéneos catalíticos.
Reações rápidas.
34
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Tipo Características Vantagens Desvantagens Utilização
PBR ou Reator
de enchimento
Contínuo
Reator tubular cujo 
interior tem partículas 
de catalisador.
Reagentes e produtos 
entram e saem 
continuamente.
Estado estacionário.
Efeitos difusionais.
Contínuo.
Alta conversão por 
unidade de massa de 
catalisador.
Baixo custo operacional.
Controle de temperatura 
deficiente.
Gradientes térmicos 
indesejáveis.
Difícil manutenção.
Podem ocorrer 
caminhos preferenciais.
Estudos difusionais.
Gás-sólido.
Fase gasosa com catalisador 
sólido.
Reações em fase gasosa 
com catalisador.
Reações heterogéneas.
Reator em Leito
Fluidizado
Contínuo
Reações Heterogêneas.
Agitação perfeita como 
o CSTR.
O catalisador pode 
ser continuamente 
regenerado com o 
auxílio de um controlo 
auxiliar.
Temperatura uniforme.
Boa mistura.
Incerteza no scale-up.
Transporte dos fluidos 
do leito não é bem 
conhecido.
Forte agitação pode 
destruir catalisador 
e formar de produtos 
indesejáveis.
Fase gasosa com catalisador 
sólido.
Gás-sólido.
Reações heterogêneas e 
reações em fase gasosa 
com catalisador.
Fonte: Sêco, s.d.
A seguir está o resumo das equações gerais e seus gráficos (figura 13).
Figura 13. Equações gerais e gráficos dos diferentes biorreatores.
Fonte: Pereira, s.d.
35
CAPÍTULO 3
PRODUÇÃO DE CALOR DURANTE O CRESCIMENTO 
CELULAR, AGITAÇÃO, TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO E 
FORMAÇÃO DE ESPUMA
A transferência de oxigênio é uma função complexa, relacionada com parâmetros 
operacionais, incluindo:
 » vazão volumétrica de ar;
 » agitação;
 » dimensões geométricas do biorreator. 
As fermentações aeróbias, além do fornecimento de oxigênio, precisam de uma 
boa distribuição do ar no interior do fermentador. Com agitação há uma dispersão 
uniforme das bolhas de ar e também dos nutrientes, que não ficam concentrados 
em determinadas zonas. 
A avaliação do desempenho da agitação é feita pelo gasto de energia, medida ou 
registrada pela variação da potência consumida pelos agitadores. A variação de 
consumo de energia é causada pela alteração da densidade, da viscosidade do meio 
e pela resistência oposta pelas células, geralmente crescente com o progresso da 
fermentação. A medida da variação da potência é adequada para o controle dessa 
operação.
A geração de espuma frequentemente é atribuída à presença de proteínas no meio 
de cultivo, principalmente os processos aeróbiosque precisam de aeração e agitação 
do conteúdo do biorreator. A geração de espuma pode ocorrer no início de um 
processo fermentativo aeróbio, quando em meios de cultivo contendo extratos de 
levedura ou de carne ou de, ou água de maceração de milho (corn steep liquor), 
e nas etapas mais avançadas de um processo pela presença de proteínas.
Isso causa sérios problemas, como:
 » uso de menor volume útil do reator, para controlar a espuma; 
 » uso de antiespumantes que podem causar dificuldades nas etapas de 
recuperação do produto e uma redução na transferência de oxigênio, o que 
exige o aumento da agitação e da aeração, agravando a situação. 
36
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Assim, é importante a seleção de micro-organismos que excretem poucas proteínas 
juntamente com o produto desejado.
Devido à agitação e aeração dos fermentadores, pode ocorrer a dispersão da fase 
gasosa no meio de cultura e, em consequência, a formação de espuma. Dependendo 
da intensidade do fenômeno, a espuma pode trazer distúrbios ao processo como, 
por exemplo, o bloqueamento de linhas e do filtro de exaustão. 
As espumas têm origem na aeração, na agitação e no desenvolvimento de gases 
no interior dos substratos em fermentação; seu aspecto é diverso nos diferentes 
meios, por razão de suas características reológicas.
O meio usado em cultivo de células animais, com a presença de soro bovino, é 
propenso à formação de espuma. Para reduzir ao máximo a formação de espuma, 
podemos indicar:
 » agitação, tipo das turbinas e sistemas de difusão do ar bem projetadas;
 » sistemas mecânicos de destruição da espuma nem sempre é satisfatório, pois 
pode destruir as células presentes na espuma;
 » antiespumante, seu uso deve ser cuidadosamente avaliado, pois pode 
apresentar sérios efeitos tóxicos ou causar problemas na purificação 
posterior do produto.
Reduzir a formação de espumas pela diminuição da intensidade de aeração, da 
agitação, ou de ambas, pode reduzir a produtividade e o rendimento. Contornar o 
efeito da formação de espuma por redução do volume de meio nos fermentadores, 
deixando grande espaço vazio, é antieconômico porque reduz a capacidade 
de produção ou a eficiência da fábrica. Outras formas de reduzir a formação de 
espumas são diluir os substratos ou modificar as características reológicas dos 
meios naturais, por meio de precipitação de coloides e sua decantação seguida de 
filtração.
A espuma pode ser evitada tanto por meios mecânicos como por agentes químicos. 
Os agentes químicos mais comuns são:
 » óleos; 
 » emulsões de óleo e água; 
 » óleos à base de silicone;
 » parafinas. 
37
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES | UNIDADE I
Por outro lado, esses agentes químicos podem afetar a transferência de 
oxigênio para o meio e o crescimento celular, razão pela qual sua adição deve 
ser minimizada. Isso é possível com sistema de medida e controle da adição de 
antiespumante. Utiliza-se comumente uma sonda, que consiste em uma haste 
condutora de eletricidade, montada na tampa do fermentador. Ao entrar em 
contato com a espuma, a haste ativa um circuito elétrico que liga uma bomba 
permitindo a adição controlada de antiespumante. A diminuição de espuma 
interrompe o circuito, que desliga a bomba.
O momento e a quantidade de antiespumante a adicionar são importantes. 
Alguns podem ser metabolizados e outros afetam a capacidade de transferência 
do oxigênio. Uma característica importante, desejada nos antiespumantes, é poder 
ser facilmente eliminado no momento da separação do metabólito do substrato 
fermentado.
As espumas dificultam as operações de assepsia e de desinfecção. Por isso, 
devem ser evitadas ou eliminadas, sendo a maneira mais efetiva a adição de 
antiespumantes automaticamente, de preferência. Quebra-ondas, batedores, 
ultrassom são outros sistemas utilizados, mas sem a mesma eficiência. Os 
antiespumantes são fabricados à base de silicone, de álcoois superiores e agentes 
de ação de superfície dispersos em óleos. Os à base de silicone são adicionados 
em menor proporção que os demais.
A aparência da espuma varia com:
 » a estirpe da levedura;
 » a natureza do mosto; 
 » a temperatura da fermentação;
 » outros fatores. 
Entretanto, para o mesmo mosto e a mesma levedura, as espumas formadas 
apresentam aspecto típico e característico.
Nos caldos clarificados, o aspecto é parecido com o das fermentações de mostos 
de melaço. Nos mostos de melaço, em condições normais há a formação de 
espuma clara e brilhante, que recobre toda a superfície do meio. É constituída 
de bolhas gasosas pequenas, regulares e com movimento rápido para o centro do 
fermentador, como em convecção. Elas acompanham as fases da fermentação; 
são pouco intensas no início, máximas durante a fase tumultuosa e diminuem até 
desaparecer por completo no final.
38
UNIDADE I | INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Nos mostos de caldo de cana cru, o aspecto é muito diverso e varia com a linhagem 
da levedura, preparo do mosto, maturação da cana de açúcar, intensidade da 
extração do caldo, entre outros. Essa diversidade dificulta a descrição. Entretanto, 
a presença de irregularidade na fermentação é visível pela viscosidade, persistência 
e dimensões das bolhas. 
As fermentações irregulares causam a formação de bolhas de grande diâmetro, 
persistentes, pouco intensas, de cor e movimentação irregulares. Considerando 
as elevadas taxas de aeração que normalmente são utilizadas em fermentadores, 
a formação de aerossol é impossível de ser evitada, como também o arraste de 
partículas de espuma com os gases de exaustão. Para evitar que os filtros colocados 
na saída dos fermentadores sejam rapidamente obstruídos, equipamentos 
adequados devem ser intercalados entre o fermentador e os filtros para remover 
líquidos e partículas sólidas arrastadas.
39
REFERÊNCIAS
BALTARU, R.; GALACTION, A. I.; CASCAVAL, D. Bioreactors of Basket Type with Immobilized 
Biocatalysts. 2nd Wseas International Conference on Biomedical Electronics and 
Biomedical Informatics. Russia, 2009.
CHISTI, M. Y. Airlift Bioreactors. Elsevier Applied Sciences, London, 1989. 345p.
COVIZZI, L. G. GIESE, E. C.; GOMES, E.; DEKKER, R. F. H.; SILVA, R. Imobilização de células 
microbianas e suas aplicações biotecnológicas. Semina: Ciência Exatas e Tecnológicas, 
Londrina, v. 28, n. 2, pp. 143-160, 2007.
FALEIRO, F. G.; ANDRADE, S. R. M. de. Biotecnologia: estado da arte e aplicações na 
agropecuária. Planaltina - DF: Embrapa Cerrados, 2011. 
FONTANA, R. C. Estudo da produção de poligalacturonases em processo submerso 
em biorreatores de agitação mecânica e airlift. 2009. 155f. Tese (Doutorado) – Programa 
de Pós-graduação em Biotecnologia, Universidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul, 2009. 
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	UNIDADE i
	INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
	capítulo 1
	Introdução aos biorreatores: ideais e reais
	Capítulo 2
	Comparação entre os vários tipos de biorreatores e processos, operação batch, operação fed-batch, operação contínua
	Capítulo 3
	Produção de calor durante o crescimento celular, agitação, transferência de oxigênio e formação de espuma
	Referências

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