Formas de condução de Bioprocessos

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26/04/2017
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Formas de condução dos Bioprocessos 
Biorreatores e 
Processos Fermentativos
Aula 7 – Profa. Dra Ilana L. B. C. Camargo
Ciências Físicas e Biomoleculares
IFSC - USP 
A escolha dos tipos de biorreator e bioprocesso também 
dependem da classificação do produto microbiano
Classificação do produto microbiano
1) Metabólitos primários (associados ao crescimento)
Consistem nos compostos produzidos simultaneamente à síntese 
de células microbianas na fase de crescimento. Neste caso, a 
formação do produto é diretamente proporcional à formação de 
biomassa. Ex.: Aminoácidos, nucleotídeos, produtos finais de 
fermentação (etanol e ácidos orgânicos), enzimas.
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Classificação do produto microbiano
2) Metabólitos secundários 
(não-associados ao crescimento)
A formação do produto não está diretamente relacionada à razão 
de crescimento de células. Usualmente se acumulam durante o 
período de limitação de nutrientes ou de produtos residuais que 
segue após fase ativa de crescimento. Estes compostos não tem 
relação direta com a síntese de materiais celulares e com o 
crescimento normal. Exemplo: maioria de antibióticos e 
micotoxinas.
A escolha dos tipos de biorreator e bioprocesso também 
dependem da classificação do produto microbiano
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A escolha dos tipos de biorreator e bioprocesso também 
dependem da classificação do produto microbiano
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Bioprocessos
Formas de condução de um processo fermentativo:
Infinitas!!! -- Enorme flexibilidade de operação
Formas mais básicas:
- Descontínuo
1. Com um inóculo por tanque
2. Com recirculação de células
3. Processo por meio de cortes
- Semicontínuo
1. Sem recirculação de células
2. Com recirculação de células
- Descontínuo alimentado
- Contínuo
1. Executado em um reator
2. Executado em vários reatores
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Fermentação descontínua 
Ou
Fermentação em batelada 
Processo fermentativo caracterizado pela inoculação e
incubação de microrganismos, de tal forma, a permitir que a
fermentação ocorra sob condições ótimas. Neste tipo de
produção, nada é adicionado, exceto oxigênio (processo
aeróbio), ácido ou base (controle de pH) ou antiespumante.
Bioprocessos
Formas de condução de um processo fermentativo:
Bioprocessos
Formas de condução de um processo fermentativo:
Fermentação descontínua 
Ou
Fermentação em batelada 
❖ Um inóculo por tanque;
❖ Processo mais seguro quando se necessita manter as
condições de assepsia (esterilização ao final de cada batelada);
❖ Fornece conhecimento básico da cinética do processo
antes de se buscar reatores alternativos;
❖ Base para comparações de eficiências atingidas.
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Bioprocessos
Descontínuo simples – “batelada” sem recirculação de células 
Sistema fechado e de volume constante.
Na prática dificilmente será aplicado industrialmente
Sua baixa eficiência estimula o surgimento das formas alternativas
Número de biorreatores (dornas) 
Líquido fermentado
Processo 
Downstream
Processo descontínuo com fornecimento ininterrupto
D = número de dornas ou biorreatores
F = Vazão média de líquido fermentado para tratamento final
V = Capacidade útil de cada dorna
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Número de dornas / biorreatores
Tempo
Início do preparo 
do biorreator
tf
tc
td
Fim da carga
Fim da 
fermentação
Fim da 
descarga
td
1 2 3 4
td = tempo necessário para se descarregar um biorreator
tc = tempo necessário para se limpar e carregar um biorreator
tf = tempo necessário para que haja fermentação em um biorreator
td = tc
Número de dornas / biorreatores
D = número de dornas ou biorreatores
F = Vazão média de líquido fermentado para 
tratamento final
V = Capacidade útil de cada biorreator
Tempo
Início do preparo 
do biorreator
tf
td
td
Fim da carga
Fim da 
fermentação
Fim da 
descarga
tf
1 D 1
td
Dorna/Biorreator D inicia seu funcionamento no instante 
(D-1) x td que é igual ao instante td + tf
Td separa o início de 2 biorreatores consecutivos
(D-1) x td = td + tf
D = 2 + tf / td e ainda Td = V/F
D = 2 + (F . tf / V)
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Bioprocessos
Descontínuo simples – “batelada” - Sem recirculação de células 
Vantagens:
-Fácil operação;
-Menor risco de contaminação;
-Construção e instrumentação simples e barata;
-Processo adequado para curtos períodos de tempo;
-Versatilidade de usos
Desvantagens:
-Esgotamento do meio de cultivo e acúmulo de compostos tóxicos ou 
degradação do produto;
-Menor produtividade volumétrica;
-Preparo do reator entre uma batelada e outra reduz tempo útil e 
aumenta custos.
Bioprocessos
Descontínuo com recirculação de células 
Há o reaproveitamento como inóculo, o microrganismo da
batelada anterior (comum em destilarias de álcool):
• Sedimentação no fermentador (cervejarias)
• Centrifugação do meio fermentado
Tendência em aumentar o número de contaminantes a cada
nova batelada
Leite de lêvedo (suspensão altamente concentrada) com 
água e ácido sulfúrico  2 a 3 h sob agitação: elimina 
contaminantes e células que já se apresentem em fase de 
degeneração
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Descontínuo em processo por meio de cortes
Bioprocessos
out
A B
Biorreator A foi cortado para o Biorreator B
Descontínuo em processo por meio de cortes
Bioprocessos
Cortes podem ser feitos
Fase de crescimento mais intensa 
quando se deseja propagar o inóculo
Após o término do processo 
fermentativo
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Descontínuo em processo por meio de cortes
Bioprocessos
Desvantagens:
I. Sucessão de cortes pode acarretar sérias quedas no 
rendimento, principalmente quando se trabalha com meio 
não esterilizado
II. O número de cortes sucessivos não pode ser previsto  o 
controle do rendimento poderá indicar em que momento 
deve-se suspender o trabalho por meio de cortes e se iniciar 
nova fermentação com inóculo novo
Experiência adquirida ao longo do tempo na indústria leva o 
pessoal a decidir quais modificações que devem ser feitas no 
processo, aumentando, dia a dia, o rendimento e/ou a 
produtividade do mesmo
Bioprocessos
Formas de condução de um processo fermentativo:
Formas mais básicas:
- Descontínuo
1. Com um inóculo por tanque
2. Com recirculação de células
3. Processo por meio de cortes
- Semicontínuo
1. Sem recirculação de células
2. Com recirculação de células
- Descontínuo alimentado
- Contínuo
1. Executado em um reator
2. Executado em vários reatores
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Bioprocessos
Semicontínuo sem recirculação de células
out
in
Adiciona-se o meio de fermentação e o inóculo
Operação 1 Operação 2 Operação 3
Operação 
1
Aguarda-se o término da fermentação;
Operação
2
Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se, no reator o
restante de mosto fermentado;
Operação 
3
Adiciona-se ao reator um volume de meio de fermentação igual ao
volume de meio fermentado retirado anteriormente
Bioprocessos
Semicontínuo com recirculação de células
Quando o meio é retirado do fermentador na operação 2, 
pode-se centrifugá-lo e reaproveitar as células 
adicionando-as junto ao novo meio na operação 3 
out
Meio + células
1 2 3
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Bioprocessos
Semicontínuo – Vantagens:
a) Possibilidade de operar o biorreator por longos períodos de
tempo (meses) sem que seja necessário preparar um novo
inóculo;
b) Possibilidade de, uma vez conhecidas as melhores
condições de operação, conseguir produtividade
significativamente maior do que a obtida em processo
descontínuo
Bioprocessos
Formas de conduçãode um processo fermentativo:
Formas mais básicas:
- Descontínuo
1. Com um inóculo por tanque
2. Com recirculação de células
3. Processo por meio de cortes
- Semicontínuo
1. Sem recirculação de células
2. Com recirculação de células
- Descontínuo alimentado
- Contínuo
1. Executado em um reator
2. Executado em vários reatores
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Bioprocessos
Descontínuo alimentado – Batelada alimentada (fed-batch)
Importância em escala 
industrial
Importância em pesquisa
Fermentação descontínua continuamente alimentada 
com nutrientes
Bioprocessos
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A alimentação do meio ou substrato pode 
ocorrer continuamente (1 etapa) ou em 
pulsos (várias etapas).
O volume do reator é variável
Muito utilizado para metabólitos secundários (antibióticos)
Descontínuo alimentado
Batelada alimentada
Fed-batch
técnica em processos microbianos, onde um ou
mais nutrientes são adicionados ao fermentador
durante o cultivo e em que os produtos ai
permaneçam até o final da fermentação.
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Bioprocessos
Descontínuo alimentado – Batelada alimentada (fed-batch)
Vantagens:
- Controle de oferta de substratos às células: 
1) Permite alta concentração de substratos indutores; 
2) Impede o efeito de repressão catabólica (presença de alta 
concentração de substrato inibe a síntese de compostos de 
interesse – ocorre muito com enzimas e antibióticos); 
3) Mantém baixa concentração de substratos inibitórios para 
formação de produto (ácido cítrico)
- Permite obtenção de alta concentração celular
Desvantagens:
- Maior risco de contaminação
- Maior necessidade de controle do processo (adição nutrientes)
Bioprocessos
Formas de condução de um processo fermentativo:
Formas mais básicas:
- Descontínuo
1. Com um inóculo por tanque
2. Com recirculação de células
3. Processo por meio de cortes
- Semicontínuo
1. Sem recirculação de células
2. Com recirculação de células
- Descontínuo alimentado
- Contínuo
1. Executado em um reator
2. Executado em vários reatores
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Bioprocessos
Mais complexo, sistema aberto e sensível à contaminações, maior custo com o meio de 
cultura, maior investimento no processo downstream (mais produto/dia)
Contínuo
O meio é adicionado de forma contínua e os produtos de
fermentação também são continuamente removidos
Sistema aberto
Volume mantido fixo ou constante
O produto é produzido continuamente
Estado de Equilíbrio: Concentração de células e nutrientes são
constantes
Objetivo da cultura contínua é controlar o crescimento celular em um
nível de produtividade ótima
-Contínuo sem recirculação de células
Bioprocessos
Agitação é necessária 
para distribuição rápida 
dos nutrientes
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-Contínuo com recirculação de células
Bioprocessos
• Contínuo
Bioprocessos
Mais utilizados em bancada para desenvolvimento de 
processos, não são muito usados industrialmente
São mais usados no tratamento de resíduos onde não há 
preocupação com contaminação!!
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• Contínuo
Vantagens
- Maior produtividade volumétrica
- Controle da velocidade de crescimento e manutenção da atividade 
metabólica celular por longos períodos de tempo;
- Menor perda de tempo útil.
Bioprocessos
• Contínuo
Desvantagens
- Maior risco de contaminação (tempo muito longo em sistema
aberto)
- Nem sempre é possível produzir compostos não relacionados ao
crescimento em culturas contínuas;
- Dificuldade de utilização de substratos complexos de composição
variável;
- Surgimento de mutantes ou variantes genéticas menos produtivas;
- Instabilidade de plasmídeos;
- Dificuldade de utilização de organismos filamentosos (difícil
homogeneização pelo padrão crescimento e viscosidade do meio);
Bioprocessos
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Bioprocessos
Formas de condução de um processo fermentativo:
Formas mais básicas:
- Descontínuo
1. Com um inóculo por tanque
2. Com recirculação de células
3. Processo por meio de cortes
- Semicontínuo
1. Sem recirculação de células
2. Com recirculação de células
- Descontínuo alimentado
- Contínuo
1. Executado em um reator
2. Executado em vários reatores
Bioprocessos 
Smith J E, Biotechnology, ed. Cambridge, 2004
Biorreação
Biorreatores
Pré-inóculo
Inóculo
Processo 
descontínuo 
simples
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Schmidell W, Lima UA, Aquarone E, Borzani W. Biotecnologia 
Industrial: Engenharia Bioquímica. Volume 2. Ed Edgard 
Blücher LTDA, São Paulo, 2001. Cap. 8-12
Bibliografia