Aula Biorreatores

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GABRIELE RODRIGUES CONCEIÇÃO
DOUTORANDA EM BIOTECNOLOGIA - RENORBIO
Para otimizar o processo é necessário:
-Garantir a pureza do processo
-Aumentar a transferência 
massa/microrganismo
-Possibilitar o controle de fatores 
limitantes do processo, como controle de 
pH, aeração, concentração de substrato
Reatores são aparelhos utilizados para 
promover um ambiente controlado para um 
ótimo crescimento do microrganismo e 
obtenção do produto desejado.
Fase 
exponencial
Fim da Fase 
exponencial
Fase 
estacionária
Fase de 
declínio
Cultura 
Estoque
Frasco 
Erlenmeyers Fermentador
Inóculo
Esterilização de meio
Formulação de meio
Matéria prima
Fermentador de 
produção
Cultura 
liquida
Separação 
de células
Sobrenadante
Biomassa
Recuperação 
do produto
Recuperação 
do produto
Meio
▪ Indústria clássica
▪ Indústria farmacêutica
▪ Indústria de produtos químicos
▪ Indústria de enzimas
Proteases
Lipases
Isomerases
Liases
etc.
Erlenmeyer
Bancada
Industrial
Células/enzimas livres
Reatores agitados 
mecanicamente
Reatores agitados 
pneumaticamente
• Coluna de bolhas
• Reatores “air-lift”
Reatores de fluxo pistonado
Células/enzimas 
imobilizadas em suportes
Reatores com leito fixo
Reatores com leito fluidizado
Células/enzimas confinadas 
entre membranas
Reatores com membranas 
planas
Reatores de fibra oca
Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
Fonte: Kleinstreuer, 1987
▪ Agitados mecanicamente
Reator de tanque 
agitado “Stirred
tanks”
O agitador é montado no eixo 
central, podendo possuir ao 
longo de sua altura uma série de 
turbinas, as quais podem ser de 
diferentes tipos.
▪ Agitados Pneumaticamente 
O líquido é agitado pelo
borbulhamento de gás
(normalmente ar).
Apresentam menor tensão de
cisalhamento, o que torna atraente para
o cultivo de células animais e vegetais.
A diferença básica entre o reator coluna de bolhas
e Air-Lift, é que este último tem movimentação
cíclica do líquido (bem ordenado) e o primeiro
apresenta movimentação aleatória.
▪ Leito fixo “Fixed bed reactors” 
Nos reatores de leito fixo, a
movimentação é praticamente
inexistente.
▪ Leito fluidizado “Fluidized bed reactor”
Nos reatores de leito fluidizado
as partículas (pellets) nas quais
o biocatalisador está
imobilizado se movimentam
intensamente.
A fluidização do leito pode ser
realizada por:
▪ Injeção de ar
▪ Gás inerte
▪ Corrente de recirculação do
líquido no reator
▪ Reatores de fluxo pistonado
Preenchimento com líquido. E
posteriormente o inóculo e meio
de cultura são misturados na
entrada do sistema.
A cultura flui com uma velocidade
constante, sem ocorrer mistura
longitudinal.
Há uma variação de concentração de nutrientes e
de células ao longo do comprimento do reator.
Reatores Descontínuo ou Batelada
Inóculo + meio é inoculado no reator. 
Após o tempo de cultivo todo o 
cultivo é retirado.
Reatores Contínuos
Processos ininterruptos em vários
reatores, no qual o primeiro reator é
responsável por alimentar o segundo,
e assim em diante.
Reatores Descontínuo Alimentado
Caracterizam-se pela alimentação
(intermitente ou contínua) de mosto
ao fermentador.
Reatores Descontínuo 
são o 2º mais utilizado.
Ex.: produção de vinhos
Reatores Descontínuo 
Alimentado são os mais 
utilizados para produzir 
produtos biológicos. 
Ex.: produção de leveduras
Os reatores contínuos são 
vastamente utilizados em 
tratamento de efluentes.
Ex.: produção de antibióticos
Perda de calor por irradiação e
evaporação, e então a
temperatura é controlada por
troca de calor facilitadas por
jaquetas d’água ou serpentinas.
1. Fatores limitantes na operação do biorreator
▪ Temperatura
▪ pH
▪ Aeração
▪ Agitação
Eletrodos esterilizáveis permitem
incluir nos fermentadores como
acessórios, com ou sem um
sistema automático de adição de
álcali ou de ácido para corrigir o
meio.
Receber o suprimento de
oxigênio adequado. O
oxigênio dissolve em
água e a dissolução
depende da temperatura
e da ocorrência de
outras substâncias
dissolvidas. Medição
através de eletrodos que
medem continuamente o
potencial gerado pelo
oxigênio.
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.
2. Propriedades limitantes do meio de fermentação
▪ Propriedades físicas do substrato (líquido ou sólido);
▪ Propriedades reológicas (densidade e viscosidade);
▪ Componentes do meio sensíveis ao calor;
▪ Variações na concentração de substrato/produto/gases;
▪ Formação de espuma
▪ Antiespumante à base de silicone, de álcoois superiores e 
agentes de ação de superfície dispersos em óleos.
▪ Ser de fácil eliminação no momento de separação do metabólito 
do substrato fermentado.
Deve conter:
▪ Fonte de carbono e 
energia
▪ Macro e micronutrientes
▪ Controle do processo
Meio de cultura: oferece condições nutricionais para o 
crescimento de um microrganismo.
- Preparação e Esterilização (asséptico).
• Carbono: inorgânico (CO2) ou 
compostos orgânicos
• Macronutrientes: C, O, H, N, P, S, K, 
Mg, Ca, Na
• Elementos traços: B, Co, Cu, Mn, Ni, 
Se, Zn
• pH, tampão, agentes antiespumante, 
precursores e inibidores de vias 
metabólicas.
C
Fotoautotróficos
Fotoheterotróficos
Quimiolitotróficos
Quimioheterotróficos
Luz como fonte de energia e 
CO2 como fonte de carbono
Luz como fonte de energia e 
compostos orgânicos como 
fonte de carbono
Energia
Subst. Químicas inorgânicas 
como fonte de energia e CO2 
como fonte de carbono
Subst. Químicas orgânicas 
como fonte de energia e 
fonte de carbono
▪ Definidos
▪ Adição precisa de compostos 
orgânicos e inorgânicos
▪ Composição química exata 
▪ Complexos
▪ Não se sabe a composição exata do meio de cultura. 
▪ Exemplos: Caseína (proteína do leite), extrato de 
levedura (células de levedura), extrato de carne, soja 
▪ Fontes altamente nutricionais 
▪ Real composição é desconhecida 
20 a 75% dos custos 
de produção
Meio-cultura
Açúcares e amidos são 
os substratos mais 
comuns para a 
fermentação
Etanol Cerveja Queijo
Cana de açúcar, milho, 
batata, etc. (mistura com 
água, 12% de 
açúcares). Rendimento 
máximo 100 g açúcar -> 
45g etanol
Semente de cevada 
germinadas. Maltose e 
glicose (mistura com 
água, 8% de açúcares)
Lactose presente na 
parte coagulada sem o 
soro.
(4-8g de lactose em 
100g de leite coagulado
Definido Definido Complexo Definido
Como fazer uma 
solução estoque de 
NaOH a 3M?
Como fazer 10mL de uma 
solução 1M de NaOH a 
partir de uma solução de 
3M?
Como fazer uma solução 
com 20% de glicose (W/W)?
É colocar 20g em 1L?
Como fazer uma solução 
com 20% de glicerol (v/v)?
Como fazer uma solução 
aquosa contendo 10g de 
etanol por 1 litro?
Como fazer um meio de cultura 
contendo: 4g de N-NO3 por litro 
a partir de diferentes 
substâncias químicas?
Em 84,99 de NaNO3 existem 
62g de NO3. Portanto 
= 5,48g de NaNo3 em 1L.
Em 228,14 g de Ca(NO3)2+4H2O ---- 124 g de NO3
= 7,35 g de Ca(NO3)2+4H2O em 1L
▪ Eliminar todas as formas de vida de seu interior ou superfície.
▪ Em alguns casos, a eliminação parcial da população microbiana dos equipamentos é 
suficiente para garantir a qualidade que se deseja no produto.
▪ Ex.: indústria de laticínios: pasteurização não elimina todos os microrganismos
▪ Resistência do 
microrganismo
▪ Composição do meio
▪ Dimensões de um 
recipiente
▪ Esterilização de reatores 
vazio 
▪ Esterilização de reatores 
com meio de cultura
▪ Quantidade de inóculo: 5 a 30% do volume 
do meio.
▪ Depende do volume do reator a ser 
utilizado.
▪ Período em que possua maior quantidade 
de células viáveis. 
▪ Densidade ótica
▪ UFC
▪ Peso seco/Peso úmido
Legenda: O efeito do tempodo inóculo no crescimento e na
produtividade da fermentação de streptomycetes.
(a) O perfil da taxa de produção do dióxido de carbono mostra os
pontos onde os inóculos foram retirados.
(b)O efeito do tempo do inóculo na produtividade de um produto da
fermentação.
▪ Em escala industrial, podem ser divididos em:
Culturas puras: 
inoculação de um reator 
com um microrganismo 
que foi propagado a 
partir de uma cultura 
pura;
Recirculação do 
microrganismo: 
reaproveitam como 
inóculo o 
microrganismo da 
batelada anterior;
Por meio de cortes: inocula-se 
um reator A, quando a 
fermentação atinge um 
determinado estágio, passa-se 
por parte de conteúdo para um 
reator vazia B e, em seguida, 
enchem-se as duas como meio 
de cultivo. Então, o reator A foi 
cortada para o reator B.
Reatores são aparelhos utilizados 
para promover um ambiente 
controlado para um ótimo 
crescimento do microrganismo e 
obtenção do produto desejado.
Os principais objetivos dos reatores 
são: transferência de massa do 
substrato para o microrganismo e 
transferência de gases. 
Os reatores podem ser 
classificados de acordo com o 
comportamento de crescimento do 
microrganismo (livre ou imobilizado) 
e o tipo de mistura do meio 
(agitação mecânica ou pneumática) 
Em relação a operação dos reatores:
▪ É necessário conhecer a fisiologia do 
microrganismo;
▪ A cinética de crescimento e produção de 
bioprodutos;
▪ Testes em escala de bancada devem ser feitos 
antes da escala industrial;
▪ O tipo de operação utilizada: contínuo, descontínuo 
ou descontinuo alimentado;
▪ Agitação, aeração, temperatura e pH devem ser 
controladas durante a operação;
▪ As variáveis limitantes do processo: variações na 
concentração de substrato/produto/gases e 
formação de espuma;
▪ Constituição do meio de cultura: barato;
▪ Assepsia do processo;
▪ Proporção do inóculo / meio deve ser estudada;
▪ Para inocular um reator é necessária aumento da 
biomassa do microrganismo em fases pré-produção.