Aula 12. Biorreatores

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BIORREATORES
Principais etapas de um processo biotecnológico
Matéria-prima
(adequadibilidade ao
processo,abundância
e custo)
Esterilização
Rastreio e seleção
de microrganismos
com a atividade
desejada
Processos de
melhoramento
das estirpes
Biorreator
Controle do processo
Separação e purificação 
do produto
Conservação da 
estirpe 
industrial
PRODUTO FINALupstream
downstream
Seleção de microrganismos para uso Industrial 
- Procura de microrganismos adequados para um processo particular
(Isolamento e identificação de microrganismos com a atividade desejada)
- a partir do meio Ambiente (solo, água, etc.) 
Eventual melhoramento de estirpes interessantes: Engenharia Genética; 
Mutagênese (seleção de mutantes espontâneos ou induzidos)
- Maximizar o rendimento do processo
- Produtos com características melhoradas
- Produtos novos
Estirpes adequadas são conservadas (e, eventualmente, patenteadas)
- em coleções de culturas nacionais e internacionais (ex. American Type 
Culture Collection – ATCC, INCQS - FIOCRUZ
- Transferência periódica 
- Congelamento (-70ºC)
- Ultra-congelamento (-196ºC, N2 liquido)
- Liofilização
técnicas de 
conservação
Várias metodologias permitem a manutenção de culturas viáveis, não 
contaminadas e inalteradas nas suas propriedades durante períodos de tempo 
mais ou menos longos:
Manutenção de microrganismos viáveis no Laboratório e em Coleções de Culturas
•Transferência ou sub-cultura periódica em rampas ou placas de Petri contendo meio 
sólido (viabilidade: semanas)
* Congelamento (viabilidade:anos)
- em Freezer - 20°C
- em Nitrogênio líquido (-196ºC)
- em Ultrafreezers (- 70ºC)
• Liofilização: desidratação das células por sublimação
de água congelada, sob vácuo. (viabilidade: anos; décadas)
Biorreator: equipamento central do processo fermentativo onde ocorrem as 
reações de transformação dos substratos nos produtos de interesse através 
da ação de microrganismos. Também chamados de fermentadores.
O processo fermentativo se divide em três etapas básicas:
- Upstream: preparo de meio e material, esterilização, inóculo.
- Fermentação: transformação substrato em produto 
- Downstream: separação de células, isolamento, purificação e concentração 
do produto 
Os biorreatores podem variar em forma e tamanho dependendo da 
aplicação: 
- frascos agitados (erlenmeyers ): 100-1000 mL
- fermentadores de bancada : 1 L – 30 L 
- fermentadores piloto: 100 – 1000 L
- fermentadores industriais : 1000 – 1.000.000 L 
Também podem ser bandejas , garrafas (fermentação sólida), colunas 
(imobilização células ou enzimas). 
Produção industrial de células de levedura
(Saccharomyces cerevisiae) – estágios na produção e produtos finais
Exigências básicas de um biorreator :
� condições adequadas de mistura (uniformidade na distribuição nutrientes,
aeração e baixo cisalhamento)
� condições adequadas de pH e temperatura
� design adequado para permitir facilidade de operações (compatibilidade com 
operações de upstream e downstream) 
Fatores fisico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
1. Oxigênio 
2. Temperatura 
3. pH
Oxigênio: é um dos substratos gasosos mais importantes para o metabolismo 
microbiano. Não é um gás muito solúvel em água, sendo que uma solução saturada 
contém aprox. 9 mg/L e devido aos ingredientes do meio de cultivo a saturação é 
ainda menor. Portanto é necessário injetar ar no meio de cultura durante o processo 
fermentativo. 
Agitação e mistura: uma fermentação microbiana pode ser considerada um 
sistema de três fases.
1. fase líquida: contém sais, substratos e metabólitos dissolvidos. Pode 
também possuir substrato imiscível em água. 
2.- fase sólida: consiste nas células, substratos ou produtos insolúveis.
3.- fase gasosa: oxigênio, CO2 . 
Outros fatores importantes
Uma agitação adequada é essencial pois proporciona os seguintes efeitos nas 
três fases: 
1.- Dispersão do ar no meio de cultivo
2.- Homogeneizacão, para igualar a temperatura, pH, e concentração de nutrientes.
3.- Suspensão dos microorganismos e dos nutrientes sólidos.
4.- Dispersão de líquidos imiscíveis
Pode-se então pensar que quanto maior a agitação, melhor será o 
crescimento. Entretanto, a agitacão excessiva pode romper as células e 
aumentar a temperatura o que ocasiona uma redução na viabilidade 
celular. Deve-se buscar o equilíbrio entre a necessidade de mistura do 
meio evitando-se o dano celular. 
Principais Tipos de Biorreatores
� convencionais (tanque agitado/aerado)
� não-convencionais (sem agitação mecânica) 
� reatores enzimas/células imobilizadas
Reatores tipo tanque agitado:
Possuem agitação mecânica (impulsores) que auxiliam a mistura e distribuição 
de nutrientes, calor, O2. 
A agitação mecânica favorece a homogeneização, suspensão de sólidos, 
dispersão gás-líquido, aeração e a transferência de calor e massa. 
Convencionais 
Reator tipo tanque agitado 
Agitadores ou impulsores: geralmente são colocados em volta de um eixo central 
rotatório e distribuídos ao centro e fundo do tanque. O tipo, tamanho e número de 
agitadores bem como a localização influenciam diretamente na mistura e 
transferência de massa no reator. A velocidade de rotação (rpm) dos agitadores 
é definida pelo usuário.
Disco
Turbina
Hélice 
Principais tipos de agitadores:
Aeração: o ar é injetado na parte inferior geralmente através de difusores
para controlar o tamanho das bolhas e passa por filtros absolutos para 
evitar contaminação. A vazão do ar também é definida pelo usuário (vvm). 
O controle de temperatura é feito através de camisa com circulação de água 
ligado a um termostato. Os controles de pH, oxigênio dissolvido e espuma 
são realizados por sensores específicos. Existem entradas na parte superior 
para adição de ácido/base, antiespumante e para entrada de meio e retirada 
de amostras. 
A esterilização do reator pode ser feita in situ no caso de fermentadores 
industriais ou pode ser levado ao autoclave no caso de fermentadores de 
bancada. 
Além do controle de agitação, aeração, pH, temperatura também é 
importante considerar a geometria do tanque (relação H/D) que é 
importante para a transferência e homogeneização eficiente e o volume 
de meio presente. O tanques geralmente são confeccionados em aço 
inox ou vidro, materiais que facilitam a limpeza e desinfecção. 
Reatores não-convencionais 
Principais vantagens uso tanque agitado:
- boa homogeneização 
- fácil operação 
- baixo custo de manutenção 
Principais desvantagens uso tanque agitado:
- baixa produtividade volumétrica
- cisalhamento (atrito) pode prejudicar alguns tipos de células 
Biorreatores de bolha (bubble driven reactors): o ar é injetado e disperso sem 
agitação mecânica e as bolhas são responsáveis pela agitação e aeração do 
sistema. Destacam-se dois tipos principais:
- Reator de Coluna de bolhas 
- Reator Airlift 
Tubo difusor
Reator de coluna de bolhas é geralmente utilizado para culturas sensíveis 
ao cisalhamento (atrito) tais como fungos e células vegetais. 
O reator tipo airlift é semelhante ao de coluna de bolhas porém dispõe de 
um tubo difusor. 
O tubo difusor: - aumenta transferência de O2 e calor 
- uniformiza as forças de cisalhamento
- diminui coalescência das bolhas 
Redução coalescência devido 
circulação induzida pelo tubo 
difusor. 
Maior número bolhas pequenas aumentam superfície troca O2 este é o 
principal motivo pelo qual os fermentadores airlift possuem maior 
eficiência na transferência de massa e calor e maior produtividade do 
que os tanque agitados. 
Como exemplo de aplicação 
industrial de biorreatores airlift : 
produção de antibióticos 
Desvantagens
airlift em relação tanque agitado:
- maior consumo de energia
- maior nível de espuma
- não é compatível com alguns tipos de células (animais) 
Reatores para células/ enzimas imobilizadas
As células ou enzimas são imobilizadas em partículas sólidas inertes (vidro, 
plástico, fibra vidro, argilas porosas, madeira) ou partículas de gel. 
Estes reatores podem ser de dois tipos:
- leito fixo ou empacotado
- leito fluidizado 
Biorreatores de leito fixo: as células ou enzimas são imobilizadas em grandes 
partículas sólidas ou gelatinosas formando “pacotes”. O meio é adicionado ou 
bombeado através da coluna preenchida com partículas onde estão aderidas ou 
aprisionadas as células que vão converter o substrato em produto. 
No caso de suportes sólidos: células são aderidas na superfície
No caso de partículas de gel: células aprisionadas na rede de polímero. A matriz 
de gel possui melhor retenção e maior área efetiva superficial para imobilização. 
Aplicações do leito fixo ou empacotado:
- tratamento de resíduos (suportes sólidos- filtros biológicos)
- produção de enzimas (suportes gelatinosos) 
- biotransformação de esteróides 
- produção tradicional de vinagre: 
gerador de Frings utiliza tanque 
preenchido com lascas de madeira 
cobertas com bactérias acéticas 
(Acetobacter ) capazes de transformar 
etanol (vinho) em ácido acético 
(vinagre). O vinho é gotejado na parte 
superior do tanque lentamente e quando 
passa pela madeira é oxidado 
recuperando-se na parte inferior o 
vinagre
Biorreatores de leito fluidizado: as células são imobilizadas em pequenas 
partículas que ficam em suspensão e se movem com o líquido. Podem ser 
definidos como grandes tubos ocos onde partículas contendo células ou 
enzimas imobilizadas ficam em suspensão. 
As partículas são de material leve e a turbulência do ar e entrada de meio 
promovem o movimento das mesmas.
Vantagens do leito fixo = (células imobilizadas)
- fácil recuperação do produto
- utilização células que não estão crescendo (população constante)
Desvantagens: - deficiência na transferência de O2 e nutrientes, 
- entupimento e alterações de fluxo (caminhos preferenciais)
- homogeneização prejudicada
-com tempo perda (lavagem) de células aderidas ou aprisionadas
Pequenas partículas: grande 
superfície de contato permitindo alta 
transferência de nutrientes e O2. 
Nestes reatores é possível obter alta 
concentração de biomassa e ao 
mesmo tempo alta taxa de 
transferência.
Vantagens: 
- alta taxa de transferência e homogeneização 
- baixo atrito
- fácil recuperação do produto (não precisa separar as células)
- não há problemas de entupimento como leito fixo 
- boa produtividade volumétrica (maior que leito fixo e tanques agitados) 
Fermentação em estado sólido ou fermentação semi-sólida: cultivo de 
microrganismos em suportes sólidos sob baixo teor de umidade. 
Os suportes podem ser resíduos agrícolas (palha, fibra os cascas de arroz, 
trigo, milho, mandioca) alimentos (grãos e farinhas) ou ainda suportes inertes 
(argilas). A fermentação ocorre em níveis de umidade semelhantes aos 
encontrados no ambiente natural dos microrganismos.
- Muito utilizado para processos que envolvem microrganismos filamentosos: 
como a produção de enzimas por fungos filamentosos 
O microrganismo é inoculado sobre o suporte e o substrato (meio de cultura) 
é adicionado sob condições controladas. Em geral quando se utilizam 
resíduos agrícolas ou de alimentos estes suportes são utilizados como fonte 
de carbono e energia, sendo apenas necessário o controle da umidade e da 
temperatura.O processo pode ocorrer em frascos, colunas, tanques, bandejas 
ou em tambores rotatórios que facilitam a mistura do suporte com o meio. 
Colunas
Bandejas
Tambor rotatório
Reator adaptado 
com misturador 
para FES
Tanques com agitadores ou 
rotatórios auxiliam a 
homogeneização durante a 
fermentação 
Vantagens da FES em relação a fermentação submersa:
- menor custo de capital e operacional
- menor risco de contaminação (baixa umidade) 
- maior facilidade de remoção do produto final 
- utilização de fontes de carbono não convencionais insolúveis
- ausência de atrito 
- permite o desenvolvimento de estruturas diferenciadas importante para a 
formação de alguns produtos (fungos)
Desvantagens:
- dificuldade controle de parâmetros físicos durante o cultivo (criação de 
gradientes) 
- natureza heterogênea do meio devido a dificuldades na homogeneização 
Modos de operação dos biorreatores
Os biorreatores podem ser operados de 3 modos principais:
- batelada (batch)
- batelada alimentada (fed-batch)
- contínuo 
Batelada: o reator é carregado com meio de cultura, inoculado com o 
microrganismo, e o processo segue até o esgotamento de nutrientes e/ou 
acúmulo do produto de interesse. 
O sistema é fechado, ou seja não ocorre adição de nutrientes (apenas ar, 
ácido e base) durante o cultivo. A composição do meio muda constantemente 
devido ao metabolismo celular e tem-se uma curva de crescimento típica 
com suas 4 fases principais. 
O volume de meio do reator permanece constante. 
Vantagens do processo de batelada:
- fácil operação e controle 
- 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
Batelada alimentada: inicialmente funciona como um sistema de batelada mas 
ocorre adição de meio a medida que a fermentação progride. A alimentação de 
meio ou substrato pode ocorrer continuamente (1 etapa) ou em pulsos (várias 
etapas). O volume do reator é variável. Muito utilizado para produção de 
metabólitos secundários (antibióticos). 
Vantagens:
- controle de oferta de substratos as células: permite 
alta concentração de substratos indutores; impede 
efeito de repressão catabólica (presença de alta 
concentração de substrato inibe a síntese de compostos 
de interesse - ocorre muito com enzimas e antibióticos); 
mantém baixa concentração de substratos inibitórios p/ 
formação de produto (ácido cítrico) 
- permite obtenção alta concentração celular
Desvantagens:
- maior risco de contaminação
- maior necessidade de controle do processo (adição nutrientes) 
Contínuo: o meio é adicionado de forma contínua e os produtos da fermentação 
também são continuamente removidos. Sistema aberto. Volume é mantido fixo ou 
constante. O objetivo da cultura contínua é controlar o crescimento celular em um 
nível de produtividade ótima.
Nos sistemas contínuos atinge-se um estado de 
equilíbrio onde a concentração de células e 
nutrientes é mantida constante, e o produto é 
produzido continuamente. 
As células e nutrientes que se perdem na saída do 
meio são equilibradas pelas novas células que 
formadas quando substrato é adicionado. 
Fatores importantes no sistema contínuo:
- taxa diluição (D) ou fluxo
- concentração de substrato limitante
Agitação do sistema é fundamental para rápida distribuição dos nutrientes
O volume do fermentador é mantido constante utilizando-se uma taxa de fluxo 
que gera a produtividade desejada e o equilíbrio do sistema. 
Biorreator contínuo no qual o crescimento celular é controlado pela taxa de 
alimentação (fluxo) do substrato é chamado de Quimiostato.
Vantagens sistema contínuo:
- maior produtividade volumétrica
- controle da velocidade de crescimento e manutenção da atividade 
metabólica celular por longos períodos de tempo
- menor perda tempo útil pois fermentação é longa 
Desvantagens:
- maior risco
de contaminação (tempo muito longo e 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
- dificuldade de utilização de organismos filamentosos (dificil homogeneização 
pelo padrão crescimento e viscosidade do meio). 
Sistemas contínuos não são muito usados industrialmente, mas são úteis em 
estudos de bancada para desenvolvimento de processos. 
Biorreatores contínuos são muito utilizados no tratamento de resíduos
Não há preocupação com contaminação
Sistema de batelada é inviável para tratar toneladas de resíduo
Referencia : A. B. Neto; D. B. Hirata; L. C. M. Cassiano Filho; C. Bellão; A. C. Badino Júnior; 
C. O. Hokka. A study on clavulanic acid production by Streptomyces clavuligerus in batch, fed-
batch and continuous processes. Braz. J. Chem. Eng. 22 (4):557-563, 2005.
Todos os três modos de operação podem ser adaptados aos diferentes tipos 
de reatores (tanque agitados, não convencionais e cel. imobilizadas)