TA918C(1s2024) - Aula 5 - INTRODUCAO AOS BIOPROCESSOS

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Prof. Andreas K. Gombert
TA918C - Microbiologia 
e Fermentações
Aula 5 - 11/04/2024 
INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE BIOPROCESSOS
https://www.youtube.com/
watch?v=5eKdZ0dVCCo
Tentem anotar o seguinte (a partir de 6min15s): 
- Quais células? OGM? Cultura pura ou mista? 
- Meio de cultivo? 
- Produto? 
- Biorreator: tamanho e outras características? 
- Como são preservadas as células? 
- Tempo de cultivo? 
- Fornecimento de oxigênio? 
- Processo com ou sem assepsia? 
- Quais variáveis são monitoradas ao longo do bioprocesso? Quais em 
tempo real e quais requerem a retirada prévia de amostras? Como isso se 
relaciona com estruturas de controle de processo? 
or 
IPTG
GFP 
(green fluorescent protein)
translation
Sem indutor não há expressão gênica
Com indutor há expressão gênica
Cinética do crescimento 
limitado por nutrientes
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µµµµ 8/µµµµ =1>
EF
GF H/EF
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Prêmio Nobel
Exemplo de um Bioprocesso Industrial
UPSTREAM
D
O
W
N
STR
EAM
CPC = Cephalosporin C (um antibiótico beta-lactâmico)
Um Bioprocesso Industrial genérico
DOWNSTREAM
UPSTREAM
Filtração em 
membranas
por calor (vapor)
BIORREATORES
BIORREATORES = 
REATORES BIOQUÍMICOS = 
REATORES BIOLÓGICOS = 
FERMENTADORES (para microrganismos)
Biorreator (= Fermentador)
Qual o “catalisador”?
- Enzimas 
- Células microbianas 
- Células animais (de mamíferos ou de insetos) 
- Células vegetais
Biorreator (escala de laboratório)
Biorreator (escala industrial)
Bioprocesso com alto grau de assepsia.
Biorreator (escala industrial)
Bioprocesso com baixo grau de assepsia.
Tamanhos ;picos de Biorreatores
100 L - 2 m3: produção de vacinas, culWvo de 
células animais ou vegetais, obtenção de 
produtos na área de saúde 
alguns m3 - 200 m3: produção de enzimas, 
anWbióWcos, vitaminas 
> 200 m3: processos que não requerem assepsia 
(fermentação alcoólica, tratamento de 
efluentes)
ALGUMAS FORMAS DE CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES 
(para cultivos em fase aquosa)
QUANTO AO TIPO DE 
BIOCATALISADOR
REATORES COM ENZIMAS
REATORES COM CÉLULAS VIVAS
QUANTO À CONFIGURAÇÃO 
DO BIOCATALISADOR
REATORES COM CÉLULAS OU 
ENZIMAS LIVRES 
REATORES COM CÉLULAS OU 
ENZIMAS IMOBILIZADAS
QUANTO À MANEIRA DE SE AGITAR O 
LÍQUIDO NO REATOR
REATORES AGITADOS 
MECANICAMENTE (STIRRED 
TANK REACTOR)
REATORES AGITADOS 
PNEUMATICAMENTE 
(AIR-LIFT E VARIANTES)
BIORREATORES EM FASE NÃO-AQUOSA(FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA ou 
FERMENTAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO) 
- AUSÊNCIA DE ÁGUA LIVRE 
- NORMALMENTE ADEQUADOS AO CULTIVO 
DE FUNGOS FILAMENTOSOS
reator de bandejas
Vídeo Fy 
https://www.youtube.com/watch?
v=sodONlWRiE0&t=50s
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O reator de mistura 
(S?rred Tank Reactor = STR)
- o mais comum (90% das aplicações) 
- tanque cilíndrico com relação L/D entre 2 e 3 
- equipado com chicanas, para evitar vórWce 
devido à agitação 
- agitação por eixo central com turbinas (por 
exemplo de pás planas ou Rushton) 
O reator de mistura (STR)
O reator de mistura (STR)
Formas de condução do processo: 
- Batelada (descontínuo ou batch)
- Batelada-alimentada (descontínuo-alimentado ou fed-batch)
- Contínuo (continuous)
O reator de mistura (STR)
Variáveis de processo que podem ser controladas: 
- Temperatura
- pH
- Concentração de oxigênio dissolvido
- Concentração de um dado nutriente
Pensar/Discutir a atuação do controlador!
PRINCIPAIS MICRORGANISMOS 
INDUSTRIAIS
fungos filamentosos (bolores)
bactérias levedurasPrincipais Micro-organimos de Interesse Industrial 
Bactérias Leveduras 
Fungos Filamentosos Microalgas 
ensaio com Trichoderma reesei 
realizado na USP
Pode ser um desafio cultivar fungos filamentosos...
Produtos da Biotecnologia Industrial
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Bactérias de Interesse Industrial 
Diferentes Gêneros: 
Lactobacillus 
Clostridium 
Escherichia 
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Bactérias de Interesse Industrial 
Actinomicetos ou Actinobactérias: 
Streptomyces 
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Leveduras de Interesse Industrial 
Rhodotorula Saccharomyces 
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Bolores de Interesse Industrial 
Penicillium Aspergillus 
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Microalgas de Interesse Industrial 
- Produção de O2 através fotossíntese; 
- Suplemetação Alimentar, uso em dietas e ração animal 
 Ex: Scenedesmus, Spirulina, Chlorella; 
- Tratamento de Efluentes, degradação da matérias orgânica durante o 
processo respiratório (Aphanothece); 
- Indicadores de poluição, pois crescem bem na presença de excesso de 
Nitrogênio e Fósforo (Algas cianofíceas e diatomáceas); 
- Produção de Pigmentos (Ficocianina e Clorofila); 
- Produção de Biodiesel (acúmulo de lipídios) Ex: Spirulina, Chlorella. 
 
Spirulina Cholorella 
CÉLULAS ANIMAIS
Chinese Hamster Ovary (CHO)
cells
http://leelab.org/research/biomolecular
http://www.gembio.com/research-area-interest/
insect-cell-culture-products
de mamíferos
de insetos
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CÉLULAS ANIMAIS 
 
Principais linhagens de células animais empregadas industrialmente 
Sigla Origem Aplicação 
CHO.K1 Chinese Hamster 
Ovary 
- Produção de proteínas recombinantes 
de uso terapêutico 
BHK-21 Baby Hamster 
Kidney 
- Propagação de vírus, para produção de 
vacinas veterinárias 
Vero Rim de macaco-
verde africano 
- Propagação de vírus, para produção de 
vacinas humanas 
- Análises de citotoxicidade de 
biomateriais 
hibridomas Fusão de células de 
mieloma com 
linfócitos B 
- Produção de anticorpos monoclonais 
Moraes et al. (2007) Tecnologia do cultivo de células animais: de biofármacos a terapia 
gênica. Roca, São Paulo. 
Importante!
• Células animais não têm parede celular, portanto são 
muito mais sensíveis ao cisalhamento do que células 
microbianas: implicações para seu uso em 
biorreatores! 
• Os sistemas de agitação e aeração devem impor um 
cisalhamento mínimo às células. 
• Exemplo: biorreator tipo “wave"
Microrganismos são usados 
industrialmente por apresentarem:
 (i) alta razão entre área superficial e volume dos microrganismos, 
o que facilita a rápida captação de nutrientes e as consequentes 
altas velocidades das reações metabólicas; (SLIDE) 
 (ii) uma enorme variedade de reações que os microrganismos são 
capazes de executar; (SLIDE) 
 (iii) a facilidade que os microrganismos possuem de se adaptar a 
diferentes condições ambientais, permitindo que uma 
determinada cultura seja transferida da natureza para o 
laboratório, e do laboratório para os fermentadores (ou 
biorreatores) industriais, onde são capazes de se multiplicar 
usando fontes de carbono e nitrogênio baratas, gerando produtos 
de interesse; 
Uma rede metabólica
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7
!"#"$%&'"()*+,-$.&$$/%"$*&0&./1"
 (iv) a facilidade de se realizar manipulações genéticas em 
microrganismos, de forma a se obter aumentos de produção, 
moléculas modificadas estruturalmente ou até mesmo 
compostos completamente novos; 
 (v) a capacidade de microrganismos de sintetizar enantiômeros 
específicos, tipicamente os ativos, nos casos em que a síntese 
química tradicional gera uma mistura de enantiômeros ativos e 
inativos.
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- Você está aqui!
Nós somos parentes mais próximos de uma levedura do que a 
levedura é de uma bactéria!
Árvore filogenética dos seres vivos
© 2004 Pearson Education, Inc.
Filogenia por sequenciamento de um 
gene de RNA ribossomal
© 2004 Pearson Education, Inc.
A célula microbiana (procariótica e 
eucariótica)
bactérias
fungos 
(leveduras e bolores)
2 pontos importantes!
• Grau de assepsia varia muito em diferentes 
Bioprocessos!
• Produtos: volume de produção X valor agregado