Conceitos em fermentação, enzimas, e biorreatores

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Por: Ivo Henrique 
 
Conceitos em fermentação e Biorreatores 
 
Biorreatores: São equipamentos cilíndricos (vasos ou sistemas com condições 
controladas e adequadas) para o crescimento de células ou microrganismos (fungos, 
leveduras e bactérias) ou melhor utilização de enzimas, capazes de transformar 
matérias-primas (substratos) em produtos. Essa transformação normalmente dá 
origem a processos fermentativos. 
 
A principal função do biorreator é otimizar o bioprocesso (aeróbico ou anaeróbico), 
criando um ambiente ideal para que as células se reproduzam e/ou gerem produtos. 
 
 
 
Grande parte dos biorreatores são usados em processos fermentativos, seja em escala 
laboratorial, planta piloto ou industrial, sendo controlados quanto 
a temperatura, pressão, pH, agitação, espuma e outros parâmetros. O equipamento 
deve resistir à pressão de esterilização, corrosão e atender as exigências de cultivo dos 
diferentes microrganismos/células. 
 
Importância dos parâmetros otimizados: 
 Temperatura: garante que o microrganismo selecionado cresça de maneira 
adequada, influencia diretamente o crescimento e sobrevivência dos M.O 
 pH: Interfere no crescimento celular e no rendimento do processo (Cada agente 
biológico possui seu pH ótimo) 
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 Agitação: garante boa transferência de massa e calor, mantendo o meio 
homogêneo 
 
Processos fermentativos: 
 Exemplos de produtos obtidos em bioprocessos por biorreatores: ácido 
cítrico, etanol, penicilina, celulase, pectinase, ácido lático 
 Vias metabólicas: catabolismo e anabolismo 
 É possível tornar células produtoras de compostos que naturalmente 
não são por elas produzidas, submetendo-as em situações extremas. Isso 
força os microrganismos a metabolizar compostos para sua sobrevivência 
que são de interesse biotecnológico (Ex: Saccharomyces produzir 
aminoglucosidase) 
 Etapas: 
 Upstream: Etapas que antecedem à fermentação 
 Downstream: Etapas posteriores à fermentação 
 
 
 Upstream – conjunto de etapas como: Identificação do produto desejado (se são 
moléculas simples ou complexas; identificação do agente biológico (fungos, 
bactérias, bolores, leveduras); conservação e identificação do meio de cultura 
(naturais ou complexos, artificiais ou sintéticos) 
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 Produtos obtidos pela rota metabólica dos M.O ou por manipulação 
genética (Ex: produção de insulina por E. Coli) 
 Conservação dos meios (Congelamento (N2 ou freezer); ultra-
congelamento ou liofilização) 
 Os microrganismos não devem produzir compostos incompatíveis com o 
produto desejado 
 A esterilização deve ser feita previamente com objetivo de eliminar os 
contaminantes que podem consumir nutrientes do meio, competindo com 
os fermentativos 
 M.O devem permitir elevada conversão de substrato em produto 
 Água e fontes de nitrogênio devem estar presentes no meio de cultura, 
além de fontes de carbono, sais e fatores de crescimento (vitaminas, 
nucleotídeos, ácidos graxos) 
 Inoculo deve corresponder à 10% da capacidade do fermentador 
 
Biorreatores: 
 A depender dos microrganismos, apresentam características distintas aos 
fenômenos de transporte no reator 
 Classificação: 
 Em fase aquosa (para células ou enzimas livres) 
 Em fase não-aquosa (para fermentação em estado sólido ou semissólido) 
 
 
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 Exemplos de biorreatores: 
 
 Biorreatores de tanque agitado ou agitação mecânica (STR): são os 
biorreatores clássicos, proporcionam um ambiente rigorosamente controlado 
garantindo boa transferência de massa e calor 
 
 Nele, a homogeneização do meio se dá por meio de um motor de 
agitação e é possível acoplar sistemas de controle de pH, espuma e 
temperatura 
 Um dos principais problemas do cultivo de células em suspensão é a 
formação de agregados celulares, devido ao fato de os mesmos 
afetarem negativamente o processo de agitação em si. Para controlar 
esse problema, existe um sistema de agitação específico que promove 
vibrações que evitam sua formação. 
 
 
 
 
 Biorreatores tipo airlift ou coluna de bolhas: Desenvolvidos para cultura de 
células sensíveis à agitação mecânica como fungos filamentosos, células de 
mamíferos e vegetais, microalgas e cianobactérias 
 
 Nele o ar é injetado e disperso, gerando pequenas bolhas que 
aumentam superfície de troca de O2 
 Garante boa transferência de massa e maior tempo de presença das 
bolhas 
 
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 Permite sistema de iluminação para crescimento de biomassa vegetal 
ou microalgas sob condições controladas 
 
 
 
 Biorreatores à membrana (Membrane Bio Reactor - MBR): 
 
 Biorreatores combinados com filtração por membranas 
 A principal função do biorreator é a de degradar a matéria orgânica e 
mineral, ao mesmo tempo que a membrana realiza a separação das 
fases líquidas e sólidas 
 Empregados geralmente no tratamento de efluentes industriais 
 Consiste na combinação do processo de biodegradação natural por 
bactérias heterotróficas aeróbias ou anaeróbias com o processo de 
separação por membranas (Ultra ou Microfiltração). Os 
microrganismos irão degradar a matéria orgânica em compostos mais 
simples como, metano, gás carbônico, ácidos, nitratos, nitritos, entre 
outros 
 A principal função das membranas é reter a biomassa, substituindo 
os decantadores das estações de tratamento biológico convencionais. 
 As membranas são capazes de reter o líquido total localizado nas 
biomassas, e reduzem significativamente a área ocupada pelas 
instalações de tratamento, garantindo a produção de efluentes mais 
bem tratados e de melhor qualidade 
 A utilização de membranas permite aumentar a concentração de 
microrganismos no biorreator e melhorar a qualidade do efluente 
 Apresentam baixo consumo de energia 
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 Os BRM podem apresentar o módulo de membrana submerso ou 
externo ao reator 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Imobilização enzimática 
 Imobilização é um termo genérico empregado para descrever a retenção de uma 
biomolécula no interior de um reator ou de um sistema analítico 
 Imobilização aplicada na produção industrial de alimentos, processamento de 
materiais, têxteis, detergentes, indústrias bioquímicas, de cosméticos, químicas e 
biotecnologia para usos farmacêuticos 
 No caso das enzimas, a imobilização consiste no confinamento da proteína em um 
suporte sólido insolúvel em meio aquoso e em solventes orgânicos, e pode ser 
usada isolada ou em combinação com outras técnicas de estabilização de 
proteínas, considerada uma das ferramentas mais eficientes para alterar a 
especificidade, seletividade, atividade e estabilidade das enzimas 
 Durante a imobilização é indispensável averiguar as diferentes condições 
necessárias para o bom desempenho da enzima, levando em consideração as 
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propriedades do processo, a extensão da reutilização da enzima, à escolha da 
enzima e do suporte ou matriz a serem utilizados 
 
 Vantagens: 
 Enzimas imobilizadas são mais robustas e mais resistentes a mudanças do 
ambiente reacional, incluindo influências de temperatura, pH e solventes 
orgânicos 
 Possibilidade de reutilização do biocatalisador 
 Facilidade de separação do catalisador e do produto da reação e de interrupção 
da reação 
 Possibilidade de processo contínuo 
 
 Entretanto, são elencadas desvantagens tais como: 
 Dificuldade de encontrar matrizes adequadas para a enzima 
 Possíveis exigências adicionais de purificação do catalisador 
 Técnica pouco adequada a substratos insolúveis ou de alto peso molecular 
 
 Enzimas podem ser imobilizadas por diferentes métodos, tais como: encapsulação 
em membranas poliméricas; confinamento em matrizes poliméricas; adsorção em 
materiais insolúveis hidrofóbicos ou em resinas de troca iônica; encapsulação; 
ligação covalente a uma matriz insolúvel ou por reticulaçãoPor: Ivo Henrique 
 
Referências utilizadas: 
https://profissaobiotec.com.br/biorreatores-como-eles-funcionam/ 
https://tecnal.com.br/pt-BR/blog/346_biorreator_o_que_e_e_quais_sao_seus_produtos 
https://www.flushengenharia.com.br/biorreator-com-membranas-conceitos-e-mercado 
 
 
https://www.flushengenharia.com.br/biorreator-com-membranas-conceitos-e-mercado