Aula 06 e 7 - Tipos de Biorreatores convencionais e com células imobilizadas

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Tipos de Biorreatores: 
reais, não convencionais e 
com células imobilizadas. 
Prof. Dr. Marcelo Fossa da Paz 
 
mfpaz9@gmail 
STR 
Coluna de bolhas 
Air-lift 
Plug-flow 
Células imobilizadas 
leito fixo 
Membranas planas 
Fibra oca (Hollow-fiber) 
Células imobilizadas 
leito fluidizado 
Tipos de Biorreatores 
STR: consiste em um tanque cilíndrico com agitação mecânica. 
O agitador é montado num eixo central do fermentador, 
possuindo, ao longo de sua altura, uma série de turbinas, as 
quais podem ser de diferentes tipos. 
Reatores agitados pneumaticamente (b e c): se caracterizam 
basicamente pela ausência do agitador mecânico, sendo a 
agitação do líquido efetuada apenas pelo borbulhamento de um 
gás (normalmente ar) no reator. 
 
Menores tensões de cisalhamento  cultivo de células animais e 
vegetais. 
 
(b) Bubble column: coluna de bolhas tem movimento aleatório do 
líquido dentro do reator. 
 
(c) Air-lift: movimentação cíclica do líquido através de 
dispositivos e arranjos internos construídos com esse propósito. 
Fluxo pistonado (plug-flow): o inóculo e meio de cultura 
são misturados na entrada do sistema, sem haver 
mistura longitudinal. Ocorre variação na concentração 
dos nutrientes e das células ao longo do comprimento 
do reator. 
Células / enzimas imobilizadas: o biocatalisador se encontra 
imobilizado em um suporte inerte como, por exemplo, alginato, 
ágar, K-carragena, pectina, vidro, sílica, etc. 
 A finalidade de utilizar células / enzimas imobilizadas é a 
manutenção de elevadas concentrações celulares  elevadas 
produtividades. 
 Dependendo da movimentação das partículas, os 
reatores se dividem em: 
 
 Leito fixo (e): a movimentação é praticamente inexistente; 
 
 Leito fluidizado (f): há movimentação intensa das partículas, 
sendo que a fluidização do leito pode ser feita por injeção de ar, 
gás inerte ou pela recirculação do líquido do reator. 
Células confinadas entre membranas: os biorreatores de 
lâminas de membranas planas e de fibra oca 
caracterizam-se por manterem as células confinadas 
entre membranas semipermeáveis (“entrapped 
biocatalyst”), as quais permitem o fluxo de líquido mas 
não de células. Ocorre a passagem dos nutrientes e 
produtos através da membrana (reator de perfusão). 
 Estes tipos de reatores prevêem a separação 
entre fluxos de nutrientes e produtos metabólicos, o que 
permite uma primeira operação de separação do produto 
desejado, contribuindo para o processo de purificação do 
produto (downstream processes). 
 
Capacidade dos biorreatores - industrial 
 
 É bastante variável, conforme o processo em questão. Podem ser 
distintos em três grupos: 
 
 Pequena escala: centenas de litros até 1 a 2 m3 de capacidade. Utilizados 
no cultivo de microrganismos patogênicos e crescimento de células animais 
ou vegetais, objetivando a produção de produtos ligados a área da saúde. 
 
 Escala intermediária: dezenas de m3 a 100-200 m3 de capacidade. Utilizados 
na produção de enzimas, antibióticos e vitaminas. 
 
 Grande escala: milhares de m3 de capacidade. Utilizados em fermentação 
alcoólica ou tratamento de resíduos. 
Lembre-se que: 
1 m3  1000 L. 
Formas de Condução de um Processo Fermentativo 
 
 Quando se pensa em um processo fermentativo, imagina-se: 
 
1° - Preparar certo meio de cultura (adequado a nutrição e desenvolvimento 
dos microrganismos, bem como ao acúmulo do produto desejado); 
2° - Colocar este meio de cultura no fermentador e esterilizar; 
3° - Preparar o inóculo, escalonar e adicionar ao fermentador (inocular); 
4° - Aguardar o tempo necessário para que o processo ocorra, controlando pH, 
oxigênio e espuma; 
5° - Descarregar o fermentador; 
6° - Executar as operações unitárias necessárias para a obtenção do produto. 
 
 A descrição acima é típica de um processo de fermentação 
descontínuo simples, ou descontínuo tradicional, também chamado de 
processo em batelada. 
 Entretanto, são várias as maneiras de se conduzir um processo 
fermentativo industrial, o qual visa a maior obtenção de produto com menor 
custo. 
 
 De um modo geral, um biorreator pode ser operado das 
seguintes formas: 
 
Descontínuo 
 com um inóculo por tanque 
 com recirculação de células 
 
Semicontínuo 
 sem recirculação de células 
 com recirculação de células 
 
Descontínuo alimentado (“fed batch”) 
 sem recirculação de células 
 com recirculação de células 
 
Contínuo 
 executado em um biorreator 
 executado em vários biorreatores 
 sem recirculação de células 
 com recirculação de células 
 Descontínuo 
 
 Seu modo de operação pode ser descrito assim: no início o meio de cultura 
esterilizado dentro do biorreator é inoculado com o microrganismo e incubado, de 
modo a permitir que a fermentação ocorre sob condições ótimas. No decorrer do 
processo nada é adicionado ao biorreator a não ser oxigênio - ar (processo aeróbio), 
antiespumante e solução para o controle do pH. Terminada a fermentação, descarrega-
se a dorna e o caldo fermentado segue para os tratamentos finais (downstream 
processes). 
 
 Com um inóculo por tanque 
 
 
 
 
 Com recirculação de células: centrifugação, sedimentação ou separação por 
membranas. 
Primeiro Segundo Terceiro 
Processo de sedimentação (decantação) 
Produção de aguardente 
Características do Processo Descontínuo 
 
1 – Volume no biorreator permanece constante: se não houver adição de 
soluções para o controle do processo, nem perda de líquido por evaporação, 
o volume no decorrer da fermentação permanece constante; 
 
2 – Baixos rendimentos ou produtividade: quando o substrato adicionado de 
uma só vez no início da fermentação exerce efeitos de inibição, repressão, ou 
desvia o metabolismo celular a outros produtos que não interessam; 
 
3 – Tempos mortos: tempos em que o biorreator não está sendo usado para o 
processo fermentativo propriamente dito, tais como tempo de carga e 
descarga de dorna e período correspondente a lavagem e esterilização do 
fermentador; 
 
4 – Riscos de contaminação menores, em comparação ao processo contínuo; 
 
5 – Flexibilidade de operação: pode-se utilizar os fermentadores para a 
obtenção de diferentes produtos; 
 
6 – Mais utilizado na indústria de alimentos: usado na produção de iogurte, 
chucrute, picles, cerveja, vinho, etc. 
Classificação do Processo Descontínuo 
 
 Em escala industrial, muitos processos são adaptados com vistas a 
otimizar a produção. O processo descontínuo, por sua vez, também pode ser 
adaptado de modo a atender ao objetivo de diferentes indústrias. 
 Os processos descontínuos podem ser classificador em três grandes 
grupos, de acordo com o modo de inoculação: 
 
1) Culturas puras - inoculação de uma dorna com um microrganismo que foi 
propagado a partir de uma cultura pura; 
 
2) Recirculação do microrganismo – reaproveita-se como inóculo o 
microrganismo da batelada anterior. 
 
a) Sedimentação do microrganismo – destilarias de álcool; 
b) Separação das células por centrifugação. 
 
3) Por meio de cortes - opera-se da seguinte maneira: inocula-se uma cuba 
(chamada de A), quando a fermentação atinge um determinado estágio, 
passa-se parte do conteúdo para uma dorna vazia (chamada B) e, em 
seguida, enchem-se as duas com meio de cultivo. Essa operação é 
chamada de cortes. Diz-se que a dorna A foi cortada para a dorna B. 
• Descontínuo alimentado: processo onde um ou 
mais nutrientes são adicionados durante o cultivo – 
metabolismo deslocado. 
 
 É aquele no qual inicialmente se introduz o inóculo, o qual deve 
ocupar de 10 a 20% do volume útil. Após alimenta com o meio de 
cultura, sem a retirada do caldo fermentado. Depois do preenchimento 
do volume útil do biorreator se inicia a retirada do caldo fermentado 
para a obtenção do produto. 
 Uma variação é a recuperação das células (centrifugação, 
sedimentação ou separação por membranas), retornadoao biorreator, 
gerando economia no preparo do inóculo no custo e tempo. 
Classificação do Processo Descontínuo Alimentado 
 
 Devido á diversidade de aplicações do processo descontínuo 
alimentado, algumas variações podem decorrer com a finalidade de ajustá-lo á 
produção de diversos produtos obtidos por fermentação. 
 
1) Descontínuo alimentado repetitivo: uma fração constante de volume de 
cultura é removida a intervalos de tempo fixos. De tempos em tempos retira-se 
um volume fixo de caldo fermentado, sendo recolocado mosto para completar o 
volume de fermentação. Enchimentos e esvaziamentos repetidos de volumes 
específicos resultam em uma operação cíclica de variação de volume dentro do 
fermentador. Assim, pode-se denominar de processo descontínuo alimentado 
cíclico. 
 Tem como objetivo aproveitar como inóculo o microrganismo que está 
crescendo com alta velocidade de crescimento e de trabalhar com células que 
estão na fase produtiva por mais tempo, levando ao aumento de produtividade 
do sistema. 
2) Descontínuo alimentado estendido: a concentração de substrato limitante é 
mantida constante no meio de fermentação pelo suprimento contínuo do 
nutriente. 
 Tem como objetivo estender o período de fermentação, mantendo níveis 
de concentração de substrato no biorreator adequados para que as células com 
a atividade fermentativa direcionada para a formação do produto desejado. 
• Semicontínuo: após o término da fermentação, parte do 
caldo fermentado é retirado e adicionado o mesmo volume de 
meio de cultura. Operação por choques de carga de 
substrato. 
 Diferencia-se do processo descontínuo alimentado por 
ter uma recarga no fermentador de modo instantâneo. 
• Contínuo 
 
 Sistema aberto no qual estabelece um fluxo contínuo de líquido 
através do biorreator. O meio a ser introduzido deve ser esterilizado, 
assim como se deve manter as condições de assepsia nas operações de 
alimentação e retirada do caldo fermentado. 
 
 Com um tanque 
 
 
 
 
 
 Com tanques em série: a alimentação de um dado biorreator 
da série é o efluente do biorreator anterior a este. 
Processo Contínuo com biorreatores em série 
A distribuição de meio de cultura 
nos diferentes biorreatores pode 
levar a diferentes condições de 
fermentação entre os biorreatores. 
O reciclo de células pode ser 
realizado tanto em um único 
biorreator quanto nos biorreatores 
em série, em qualquer deles. 
Fluxograma do processo de produção de álcool em modo 
de operação contínuo com múltiplos estágios e com 
recirculação de células 
A Usina Açucareira São 
Manoel é uma tradicional 
unidade industrial produtora 
de cana, açúcar, etanol e 
levedura seca. Esmaga 
atualmente 3,3 milhões de ton 
de cana para produzir 225 mil 
ton de açúcar, 142 milhões de 
L de etanol e 2.000 ton de 
levedura por ano. 
Levedura seca inativa: 
Levedura seca obtida da 
fermentação de caldo de 
cana de açúcar, destinada à 
compor rações para 
alimentação animal (aves, 
peixes, suínos, camarões, 
rações extrusadas para cães 
e gatos) com elevado 
conteúdo protéico. 
 A manutenção de volume constante de líquido no biorreator é de 
primordial importância, a fim de o sistema atinja a condição de estado 
estacionário ou regime permanente (“steady state”), condição na qual as 
variáveis de estado (concentração de células, de substrato limitante e de 
produto) permanecem constante ao longo do tempo de operação do sistema. 
 
 A manutenção de volume constante requer: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Sistema de retirada de líquido por transbordamento (ladrão); 
 Bombas de alta vazão instaladas na saída, acionadas intermitentemente. 
 
 
Biorreator 
Vazão de Alimentação Vazão de Retirada 
IMPOSSÍVEL DE SE OBTER NA PRÁTICA!!! 
 Outro fator que afeta a manutenção de volume constante de líquido no 
biorreator é a formação de espuma. A formação de espuma pode ser 
controlada com a adição de antiespumante (antifoam), ou através de sistemas 
mecânicos de quebra de espuma. 
 Antiespumantes são agentes teso-ativos, que atuam na interface ar-
líquido, modificando ou impedindo a formação de bolhas. 
 
Antiespumantes – óleos vegetais neutros, lanolina bruta, álcoois superiores, 
poliálcoois e silicone líquido.