Aula 2 - Introdução a bioprocessos_2023-final

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Tópicos avançados em biotecnologia
CEN0400
1° Semestre de 2023
Introdução a bioprocessos
Conteúdo
1. Princípios básicos de bioprocessos
2. Processos a juzante (up-stream processes)
3. Processos a montante (downstream processes)
4. Princípios de controle de qualidade em bioprocessos
Operações que utilizam microorganismos, células
animais ou vegetais e componentes celulares ou partes
de sistemas biológicos em processos industriais para a 
fabricação de novos produtos ou destruir resíduos
daninos através da biotransformação de matéria.
Biologia → Engenharia → Ciências físicas
Bioprocessos
O conhecimento de bioprocessos foi 
desenvolvido para geração de produtos de 
alta qualidade.
Bioprocessos
www.marketwatch.com
www.nutrimalta.com
Entrada de 
matéria prima
ou substrato 
(input) 
Bioprocesso Material de saída (output)
Bioprocessos
1. Batelada simples (Batch)
2. Batelada alimentada (Feed batch)
3. Semi-contínuo (Semi-contínuous)
4. Contínuo (Continuous)
Biotransformação
Tipos básicos de bioprocessos
Pauline Doran, Bioprocess engineering principles.ISBN:01222208552.
Produtos de processamento biológico
https://en.wikipedia.org/wiki/Bacterial_growth#/media
Cultivo e crescimento celular
Cultivo e crescimento celular
Processo típico de fermentação
Seed fermenter=Biorreator de propagação
Fermenter production=Biorreator industrial
Processos a jusante
(down-stream processes)
Bioprocesso
Processos a montante
(up-stream processes)
• Esterilização
• Seleção de cepas
• Engenharia de cepas
• Definição de meio de 
cultivo
• Definição de condições 
ótimas de cultivo
• Extração
• Concentração
• Remoção de água
• Purificação
• Separação
• Clarificação
Bioprocessamento
Tipos de Bioprocessamento
Batelada simples Batelada alimentada Contínuo
Tipos de Bioprocessamento : Batelada simples
Tempo de duplicação em condições ideiais:
Bactéria (E.coli): 20 min.
Leveduras: 1 – 2 horas
Células animais: 25 -48 horas
Células vegetais: 20 -70 horas
Cultivo e crescimento celular
Se condições ideais de cultivo são mantidas (pH, temp., etc.), o crescimento
(duplicação) dos organismos é dependente do suprimento de substrato (alimento). 
BATCH:
SUBTRATE IS 
DEPLETED
DURING 
GROWTH
Fed-batch: 
SUBTRATE IS 
REPLENISHED
DURING 
GROWTH
http://www.biologydiscussion.com
Continuous: 
GROWTH IS 
CONSTANT 
WHILE 
SUPPLEMENTED
Fermentation process; x: biomass, s: substrate, p: product, t: time
Modos de processamento de cultivos: resumo
Fonte: Dulce María Díaz-Montaño DOI: 10.5772/55923
Comparação de tipos de processamento de cultivos
Biotechnology and Bioengineering, Vol. 112, No. 4, April, 2015
Evolução dos tipos de Bioprocessamento
Pauline Doran, Bioprocess engineering principles.ISBN:01222208552.
Exemplo de Bioprocessamento: produto derivado de 
DNA recombinante
Processos a jusante e a montante
Schematic manufacturing process of monoclonal antibodies from cell culture
Gronemeyer et al. Bioengineering 2014, 1(4), 188-212; doi:10.3390/bioengineering1040188
upstream
downstream
http://dx.doi.org/10.3390/bioengineering1040188
allpix.club
mylord84.tradekorea.com
unhyphenatedamerica.org
De poucos mililitros até poucos Litros (10L)
Bioprocessos em escala laboratorial
http://allpix.club/pages/s/saccharomyces-cerevisiae-yeast-culture/
http://mylord84.tradekorea.com/product/detail/P482947/Lab-scale-Fermenter.html?minisiteprodgroupno=
http://unhyphenatedamerica.org/2014/05/29/guess-grew-liberal-petri-dish/
Bioprocessos em escala piloto
(Escalamento de processos em escala de 100L)
(Escalamento acima de 100L, geralmente)
Bioprocessos em escala industrial
https://youtu.be/VKpthcW1llU
Bioprocessos
(upstream processes = USP) 
Gronemeyer et al. Bioengineering 2014, 1(4), 188-212; doi:10.3390/bioengineering1040188
Aperfeiçoamento de processos a montante
HCP=host cell proteins
http://dx.doi.org/10.3390/bioengineering1040188
(downstream processes = DSP)
Gronemeyer et al. Bioengineering 2014, 1(4), 188-212; doi:10.3390/bioengineering1040188
Aperfeiçoamento de processos a jusante
PAT= process analytical technology
QbD= quality by design
http://dx.doi.org/10.3390/bioengineering1040188
Pauline Doran, Bioprocess engineering principles.ISBN:01222208552.
Diagrama de equipamentos usados em bioprocessos
Diagrama quantitativo de processos a jusante
Desenvolvimento de Bioprocessos
http://www.engineersjournal.ie
IVCD=Integral viable cell density (VCD)
feed components,
screening for media 
cell-line optimisation
Conhecer os parâmetros críticos do processo (CPPs) aumenta o potencial de
conhecimento do processo e o potencial de controle direto de atributos
críticos de qualidade (CQAs) do produto pela manipulação de CPPs
apropriados.
Desenho de Bioprocessos
http://www.engineersjournal.ie
Parâmetros físicos, químicos e biológicos
Aquisição dos dados e modelamento
Aquisição de dados do processo em tempo real
Aquisição Controle
www.endress.com
www.endress.com
Conhecendo e controlando o bioprocesso
http://www.engineersjournal.ie
Exemplos de controle de bioprocessos em biorreatores
www.endress.com
Dos dados ao modelamento de bioprocessos
Biorreator
Dados
Modelos mecanísticos do processo 
(trajetórias e comportamento)
• Expansão do conhecimento do processo
• Exploração virtual do espaço operacional
• Desenvolvimento de algoritmo de controle
Descrevem princípios fundamentais do fenômeno 
(Balanço de massas e vias reacionais)
Bioprocessos: caso de estudo
https://youtu.be/N7vxq948l-U
Introdução a qualidade
Grau com que um produto ou processo atende aos interesses ou objetivos ou 
necessidades finais a que se propõe.
Exemplos que aspectos avaliados da qualidade:
Estabilidade, potência, pureza, eficácia, reprodutibilidade, confiabilidade, segurança, 
resistência, etc. 
Controle de qualidade
Conjunto de operações técnicas e atividades que são usadas para identificar e 
preencher as necessidades de qualidade de um produto ou processo. 
A qualidade em bioprocessos
https://youtu.be/_0vDML6snZQ
Futuro de Bioprocessos para área de saúde
https://www.youtube.com/watch?v=_0vDML6snZQ
https://youtu.be/q9UCvms9m5w
O futuro em bioprocessos
Estudo de caso em bioprocessos: LEITURA E 
EXERCÍCIOS
Otimização de perfil de alimentação de um 
processo de células de mamíferos
O objetivo foi melhorar a performance, através da otimização do perfil de
alimentação do biorreator trocando de uma estratégia de batelada
alimentada para sistema contínuo para prevenção de redução de nutrientes
e manutenção de um macro-ambiente estável para as células.
Craven et al., 2014 (7).
Craven S, Whelan J, Glennon B (2014) Glucose concentration control of a fed-batch 
mammalian cell bioprocess using a nonlinear model predictive controller. J Process
Control 24:344–357
Exercício: Leia o texto indicado abaixo e responda as perguntas sobre o texto
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	Slide 25
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	Slide 27
	Slide 28
	Slide 29
	Slide 30
	Slide 31
	Slide 32
	Slide 33
	Slide 34
	Slide 35
	Slide 36
	Slide 37
	Slide 38
	Slide 39