Biorreatores: Aplicações e Biorremediação

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Biorreatores
• Bioprocesso aplicação industrial de reações ou
vias biológicas mediadas por células vivas
inteiras de animais, plantas ou microrganismos,
ou enzimas sobre condições controladas para a
biotransformação de matérias primas em
produtos.
Biorreatores
• Biorreatores, são os reatores nos quais ocorrem
uma série de reações químicas catalisadas por
biocatalisadores, podendo ser: reatores
bioquímicos, reatores biológicos
• Enzimas (reatores enzimáticos ou bioquímicos);
• Células Vivas (Biorreatores ou Reatores Biológicos).
Biorreatores
Biorreator: Equipamento para o crescimento de organismos
(leveduras, bactérias, ou células animais) sob condições
controladas.
Controle: aeração, nutrientes,pH e temperatura.
Biorreatores diversas áreas: Alimentos (bebidas, laticínios,
vinagre), Álcool, Petróleo, Água, Resíduo, Solo, Agricultura.
Biorreatores
O Biorreator deve fornecer condições adequadas ao 
crescimento dos microrganismos, a saber:
• 1- O reator deve ser capaz de manter–se estéril por
muitos dias, trabalhar sem problemas por longos
períodos e satisfazer todas as exigências legislativas de
contenção ambiental;
• 2 As exigências metabólicas dos microrganismos, quanto
a aeração e agitação, devem ser plenamente
satisfeitas,mantendo porém a integridade física dos
mesmos
Biorreatores
3-A potência absorvida deve ser a menor possível;
4-Um eficiente sistema de controle de temperatura deve
estar disponível;
5 Um sistema de controle de pH deve estar disponível;
6 Um sistema de tomada de amostras à prova de
contaminação do conteúdo do fermentador deve ser
parte integrante do equipamento;
Biorreatores
7- O reator deve exigir o mínimo em mão de obra para sua
operação, limpeza e manutenção;
8- Perdas por evaporação devem ser mantidas ao mínimo;
9- Eficiente sistema de controle dos gases e saída do
fermentador devem estar disponíveis;
10 – O reator deve preencher, sempre que possível, a
característica de multi-propósito, contudo, a
regulamentação de contenção ambiental e a
possibilidade de contaminações;
11- O reator deve ter as superfícies internas polidas
e todas as suas conexões, na medida do possível,
devem ser soldadas e não rosqueadas;
12- Na medida do possível, o reator deve manter
uma geometria similar à dos reatores menores ou
maiores, a fim de facilitar a ampliação em escala
industrial.
Vantagens da bioconversões:
• Condições de reações amenas;
• Elevados rendimentos;
• Os organismos contêm várias enzimas que podem
catalisar sucessivos passos numa reação.
Na biossíntese as células consomem nutrientes para
crescer e produzir mais células e produtos importantes.
Esta transformação dos nutrientes em energias e
bioprodutos é realizada por meio de várias enzimas
(catalisadores) que a célula utiliza numa série de reações
para produzir os metabólitos.
Produtos que permanecem na célula (produto intracelular), 
produtos fora das células (produto extracelular)
Células + fonte de + fonte de + fonte de + fonte de + 
carbono nitrogênio oxigênio fosfato
mais células + produtos + H2O + CO2
BIORREATORES DE PETRÓLEO
• Revolução Industrial: 200 anos de má gestão do
lixo industrial,
• Contaminação: manuseamento e eliminação
inadequados de materiais perigosos.
BIORREMEDIAÇÃO é o processo de tratamento 
que utiliza a ocorrência natural de 
microrganismos para degradar substâncias 
toxicamente perigosa transformando-as em 
substâncias menos ou não tóxicas.
• Biodegradação utiliza-se na limpeza de
derramamentos de óleos e tratamentos de
ambientes terrestres e aquáticos contaminados
com compostos xenobióticos (compostos
químicos estranhos a um organismos ou sistema
biológico).
• BIORREMEDIAÇÃO: estímulo do crescimento
microbiano no local contaminado e a adição de
microrganismos degradadores de
hidrocarbonetos.
• BIORREMEDIAÇÃO: é o bom uso de seres vivos
ou seus componentes para restaurar
ambientes poluídos.
• BIORREMEDIAÇÃO: são processos que
empregam microrganismos ou suas enzimas
para degradar compostos poluentes.
• UTILIZA-SE: microrganismos, fungos,
plantas verdes, enzimas para atacar
contaminantes do solo;
• EXEMPLOS: 1) degradação de hidrocarbonetos
clorados por bactérias (Achromobacter,
Acinetobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus,
Flavobacterium, Nocardia e Pseudomonas)
• EXEMPLOS:
2) limpeza de derramamento do óleo pela
adição dos fertilizantes de nitrato ou de
sulfato para facilitar a decomposição do
óleo pelas bactérias locais ou exteriores.
• Fungos, Aureobasidium, Candida, Rhodotorula e
Sporobolomyces
• 3) tratamento de solos e cursos d’água
contaminados: eficiente, econômico, baixos
danos.
FUNDAMENTADA: processo de degradação
microbiana e reações químicas combinadas
com processos de engenharia, criando
condições para maximizar as transformações
dos contaminantes orgânicos do solo.
TRÊS ASPECTOS PRINCIPAIS
• Existência de microrganismos com
capacidade catabólica para degradar o
contaminante;
• O contaminante deve estar disponível ou
acessível ao ataque microbiano ou
enzimático;
• Condições ambientais adequadas para o
crescimento e atividade do agente
biorremediador
Contaminantes do solo em ordem decrescente:
cloroalifáticos, pesticidas, hidrocarbonetos
aromáticos, cloroaromáticos, aromáticos
simples.
objetivo inocular o solo com microrganismos
com capacidade de metabolizar resíduos
tóxicos, proporcionando maior segurança e
menos perturbações ao meio ambiente.
Técnicas de Biorremediação
Tratamentos “in situ” ou intrínseca, pode-
se adicionar nutrientes, oxigênio 
(bioestimulação) ou micróbios 
(bioaumento).
• Técnica com processo lento;
• Produto final: água e CO2
• Tratamentos "ex situ" (fora do local);
• Tratamentos “in situ" - são baseados na
manipulação da fase aquosa e estímulo da
decomposição pela injeção de ar
(bioventilação) e suplementação com
nutrientes em galerias e poços de infiltração.
É comum o uso de plantas nesse tipo de
tratamento, as quais fornecem substratos à
atividade microbiana enquanto os
microrganismos transformam os
contaminantes.
Vários contaminantes podem ser tratados
biologicamente com sucesso:
• petróleo bruto; óleo diesel; combustível de
avião; preservativos de madeira; solventes
diversos;
• hidrocarbonetos do petróleo como gasolina
(que contém benzeno, xileno, tolueno e
etilbenzeno);
• lodo de esgoto urbano industrial;
Tipos e Estratégias para Biorremediação do
Solo
• Passiva - consiste na degradação intrínseca
ou natural pelos microorganismos do solo;
• Bioestimuladora - consiste na adição de
nutrientes, como N e P, para estimular os
microrganismos;
• Bioventilação - é uma forma de
bioestimulação por meio da adição de gases
estimulantes, como O2 e CH4, para aumentar
a atividade microbiana decompositora.
• Bioaumentação - é a inoculação do local
contaminado com microrganismos
selecionados para degradação do
contaminante.
• Landfarming - é aplicação e incorporação de
contaminantes ou rejeitos contaminados na
superfície de solo não contaminado para
degradação. O solo é arado e gradeado para
promover a mistura uniforme do contaminante
e aeração.
• Compostagem - é o uso de microorganismos
termofílicos aeróbios em pilhas construídas
para degradar o contaminante.
Principais Dificuldades para o Sucesso dos
Tratamentos Biológicos de Solos
Contaminados.
• Heterogeneidade do rejeito - os rejeitos são
distribuídos de modo heterogêneo no solo e
o contaminante pode ocorrer em formas não
acessivas.
• Concentração do contaminante -
contaminantes podem estar presentes em
concentrações variadas (de muito baixa a
muito alta). Se muito alta,pode ser tóxica e
inibir o crescimento.
• Persistência e toxidade - tratamentos
biológicos são eficientes para remover
matérias biodegradáveis e de baixa toxidade.
• Contaminantes resistentes à biodegradação
exigem adequadação nutricional do solo
(com fonte de C).
• Condições adequadas para o crescimento
microbiano - condições ambientais
favoráveis umidade, temperatura e aeração
do solo.
Aspectos Biológicos das Técnicas mais
Comumente Empregadas
• Landfarming - consiste na aplicação do
contaminante em forma líquida ou sólida na
camada arável do solo, onde se concentram
90% dos microrganismos que usam os
contaminantes como fonte de energia.
• Biorremediação Fase Sólida - constitui-se de
pilhas de solo, que funcionam como células
de tratamento. Nas células realiza-se
controle mais rigoroso da volatilização,
lixiviação e escoamento superficial de
material contaminado.
• Outro método: compostagem é um
tratamento controlado pela geração de calor
pelos aeróbios termofílicos. A elevação da
temperatura na massa contaminada é ideal
para tratamento de rejeitos e lodos diversos,
incluindo contaminantes explosivos. É um
processo barato e fácil de ser monitorado.
• BIOAUMENTAÇÃO - envolve a inoculação do
solo com culturas puras de microrganismos
para degradações de contaminantes
específicos ou de microrganismos
transgênicos contendo plasmídeos
degradadores (mais apropriada para
contaminações recentes e onde se pretende
aplicar a degradação acelerada).
• Aplicação: herbicidas, hidrocarbonetos
clorados e carbonatos.
• Uma estratégia que vem ganhando espaço
na biorremediação é o uso de plantas para
acelerar o processo de degradação. As
plantas, além de atuarem diretamente sobre
vários tipos de contaminantes, contribuem
indiretamente através do efeito rizosférico
sobre a microbiota biodegradadora.
EXEMPLOS:
• O tratamento de um solo contaminado com
hidrocarbonetos aromáticos policíclicos
(HAP's) em concentração de 185 mg kg-1 de
HAPs total e 50 mg kg-1 de HAP's
carcinogênicos, sofreu redução de 26% após
180 dias de tratamento sem planta e de 57%
quando o solo foi semeado com Panicum
virgatum (switchgrass). Na fração
carcinogênica houve redução apenas nas
parcelas com planta, sendo esta redução da
ordem de 30%.
Biorremediação
Vantagens Limitações
Biodegrada substâncias perigosas ao invés de apenas transferir o 
contaminante de um meio para outro
Não é uma solução imediata
Baixo custo (até 85%)
Necessidade de maior entendimento 
de seu funcionamento
Possível tratamento in situ Método pouco evoluído no Brasil
Produtos utilizados não apresentam risco ao meio ambiente e 
não são tóxicos
Acompanhamento durante o processo
Tratamento de resíduos considerados de difícil degradação
Muitas moléculas não são 
biodegradáveis
Uso em áreas de proteção ambiental, indústria de alimentos, 
entre outras
Substâncias tóxicas ao 
microorganismo inviabiliza o 
tratamento
• A biorremediação microbiana, representa a
principal tecnologia de remediação de solo, por
ser:
• De baixo custo (US$ 13 a 1.500 por tonelada de
solo tratado) em relação a outras técnicas;
• Ser uma solução permanente;
• Fundamentada em processos naturais;
• Aplicável a uma grande variedade de
contaminantes;
De grande aceitação pública.
ENZIMA IMOBILIZADA
É quando a enzima se associa fisica ou quimicamente a uma
suporte ou matriz, usualmente sólida, insolúvel em água
e inerte, que não seja essencial a sua atividade.
O principal interesse em imobilizar uma enzima é obter um
biocatalisador com atividade e estabilidade que não
sejam afetadas durante o processo.
• Os processos de bioconversão enzimática têm sido
bastante utilizados na produção, transformação e
valorização de matérias-
primas.
A Imobilização de Enzimas visa a obtenção de
reações com:
– uniformidade tecnológica
– viabilidade econômica,
Enzimas Livres x Imobilizadas
• Livres
– Instabilidade
– Rápida perda da atividade catalítica
– Não regeneração
 Imobilizadas
 Reutilização
Maior estabilidade (Faixas mais amplas de pH e 
Temp.)
Menor interferência de inibidores e/ou 
ativadores
Métodos de Imobolização das Enzimas
1- Modificação química da molécula:
O Substrato não sofre impedimento estérico pela
matriz
Pode ocorrer ligação através do sítio ativo tornando-
se inativa
2- Ligação física da enzima em uma matriz inerte:
Maior velocidade de reação e facilidade no preparo
Impedimento estérico da molécula de substrato
Quando a imobilização ocorre a partir da inclusão de uma
matriz
É o aprisionamento das moléculas de enzimas entre as
malhas de um polímero geliforme.
A ligação ocorre de forma simples entre enzima e
suporte;
Não há risco de desnaturação, pois não são empregados
reagentes químicos.
A matriz pode ser:
Polímeros sintéticos
–Silicone, Poliuretano, Nylon e outros.
Polissacarídeos
–Alginato, Quitosana, Pectina e outros.
Proteínas
–Colágeno, Gelatina Albumina e outros.
• A utilização de uma enzima imobilizada tem
como vantagens:
• a inexistência de rejeito aquoso alcalino,
• menor produção de outros contaminantes,
• maior seletividade,
• bons rendimentos,
• reutilização em outras reações,
• melhora a estabilidade e atividade da enzima,
essas vantagens motivam a realização de
pesquisas que visem diminuir a principal
desvantagem da metodologia: alto custo das
enzimas puras.
PRODUÇÃO DE BIODIESEL VIA CATÁLISE
ENZIMÁTICA
• As enzimas são proteínas que aceleram as
reações químicas em sistemas biológicos
que ocorrem sob condições termodinâmicas
não-favoráveis.
• Quimicamente são polímeros formados por
aminoácidos e que possuem as vantagens
de operarem em condições suaves
(temperatura e pressão).
• A catálise enzimática sintetiza
especificamente ésteres alquílicos,
permite a recuperação simples do
glicerol, a transesterificação de
glicerídeos com alto conteúdo de
ácidos graxos, a transesterificação
total dos ácidos graxos livres, e o uso
de condições brandas no processo,
com rendimentos de no mínimo 90%,
tornando-se uma alternativa
comercialmente muito mais rentável.
• Transesterificação é uma reação
química entre um éster (RCOOR’) e um
álcool (R’’OH) da qual resulta um novo
éster (RCOOR’’) e um álcool (R’OH).
Aplicação da Transesterificação
• Na produção de Biodiesel. O processo
inicia-se juntando o óleo vegetal com
um álcool (metanol, etanol, propanol,
butanol) e catalisadores (que podem ser
ácidos, básicos ou enzimáticos).
• A transesterificação enzimática foi
comparada com a mais utilizada
comercialmente (transesterificação alcalina)
e se sobressaiu nos seguintes aspectos:
• temperatura de reação,
• água na matéria-prima,
• ácidos graxos livres no óleo não refinado,
• recuperação do glicerol,
• rendimento e purificação de metil ésteres.
• As lípases hidrolisam acilgliceróis em
ácidos graxos, diacilgliceróis,
monoacilgliceróis e glicerol.
• São comumente encontradas na
natureza, podendo ser obtidas a partir
de fontes animais, vegetais e
microbianas.
• Produção de Biodiesel
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA
IMPORTÂNCIA: na utilização integral de resíduos
gerados de processos industriais;
• O estabelecimento desta tecnologia envolve
princípios e desafios que levam os cientistas a
desenvolverem procedimentos tecnológicos
sustentáveis;
• Este pensamento atende a proposta ZERI, “Zero
Emissions Research Initiative”.
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA
• A fermentação semi-sólida (FSS) ou sólida -
é um processo microbiano que se
desenvolve na superfície de materiais
sólidos, que apresentama propriedade de
absorver ou de conter água, com ou sem
nutrientes solúveis.
• Estes materiais sólidos podem ser bio-
degradáveis ou não. Para a FSS, é
necessário que os microrganismos cresçam
com nutrientes sob ou sobre a interface
liquido – sólido.
•
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA(FSS)
Esta tecnologia tem apresentado crescimento
acentuado em países do ocidente devido a
viabilidade técnico- econômica.
• Muitos microrganismos foram utilizados em todas
as áreas da biotecnologia(ex.: agricultura, saúde,
energia e meio ambiente.
• APLICAÇÕES: biotransformação dos resíduos e
subprodutos (sólidos e líquidos) trouxeram como
conseqüências à melhoria do saneamento do
ambiente, o estabelecimento de indústrias
secundárias e melhoria de estrutura de preços.
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA (FSS)
CARACTERÍSTICAS desta fermentação: uma em
que as condições para o estado sólido são
propiciadas pelo próprio substrato. Na outra
FSS, o desenvolvimento do processo se dá
utilizando um suporte inerte.
APLICAÇÃO COMERCIAL:
• 1ª) aplicações sócio-econômicas tais como a
compostagem de resíduos, valorização de
produtos lignocelulósicos e fibras alimentares;
• 2ª) aplicações economicamente lucrativas, tais
como, a produção de enzimas, ácidos orgânicos
e alimentos fermentados.
FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA (FSS)
VANTAGENS FISICO-QUÍMICAS: 
• Baixa atividade de água gerando um processo industrial
limpo, com baixos níveis de água residual, o que
incorre também em economia energética no processo
de recuperação.
• baixo gradientes de temperatura, nutrientes e produtos.
• A heterogeneidade microscópica do substrato é
considerado como sua principal força para o acréscimo
de rendimento de produtos e por causar adequadas
alterações na fisiologia microbiana.
VANTAGENS FSS
• O meio é geralmente simples, consistindo de
produtos agrícolas não refinados que podem
conter todos os nutrientes necessários para o
crescimento do microrganismo.
• Pré–tratamento: cozimento com água para
umidificar ou dilatar o substrato, ou a quebra
deste para aumentar a acessibilidade aos
nutrientes internos ou a moagem de grandes
blocos de substrato para partículas menores;
• Tratamento de efluentes e de resíduos é simples
ou minimizado. Geralmente todo o produto é
utilizado como ração animal;
• O custo de esterilização é reduzido, pois se
aquece menos água;
• O espaço ocupado pelo equipamento de
fermentação é pequeno considerando-se o
rendimento do produto.
• Utiliza-se menor quantidade de água e o
substrato é concentrado;
• Como a maioria das bactérias requer
altos níveis de mistura líquida, a FSS exclui, ou
reduz, sensivelmente, o problema da
• contaminação bacteriana;
• •
• O meio é facilmente aerado, desde que haja
espaço entre as partículas do substrato;
• A solubilidade e difusão de oxigênio e outros
gases, são maiores em FSS;
• O resíduo remanescente possui um volume
reduzido e este resíduo não apresenta condições
para o desenvolvimento de patógenos;
• Geralmente, o único componente necessário a
ser adicionado ao meio é água, embora,
ocasionalmente, outros nutrientes como fonte de
nitrogênio ou minerais possam ser adicionados;
• Torna-se possível a obtenção de esporos que
são impossíveis de se obter em cultura
submersa;
• Menor custo dos equipamentos;
• Exige menor demanda de energia;
DESVANTAGENS
• Limitação dos tipos de microrganismos devido a
baixa atividade de água;
• Microrganismos mais utilizados: fungos e
leveduras;
• Geração de calor;
• A transferência de oxigênio entre as partículas
do meio pode se tornar um problema quando se
utiliza granulometria do substrato
muito grande;
• Medidas de pH, O2, CO2 e cálculo de
rendimento de produto são mais
complexos;
MATÉRIAS PRIMAS – SUBSTRATOS VIÁVEIS
Resíduos de origem agroindustrial, são dois:
celulósicos (polpa de café, bagaços, palhas,
cascas, cascas de frutas processadas, etc) e
amiláceos (batata, milho, mandioca, banana e
seus resíduos, entre outros).
Características Comuns:
• são recursos naturais renováveis;
• sua produção depende de outra atividade
produtiva;
• são produzidos em grande quantidade e
constituem um problema sanitário e ecológico
em sua região;
• necessitam de um prévio tratamento físico ou
químico para que lhes dêem novas
características físicas que facilitem seu
processamento e industrialização.
• FLUXOGRAMA
• Composição de resíduos de origem
agroindustrial.
1: bagaço de cana, 2: polpa de café, 3: casca de arroz,
4: farinha de mandioca, 5: batatas de descarte,
6: palha de trigo. 7: milho
Distribuição dos resíduos e o meio ambiente
1 Ton de resíduo / Ton de produto principal.
RESÍDUOS URBANOS: faz-se uma estimativa
da quantidade produzida por um indivíduo
(cidade grande 300 g de resíduos (base
úmida) diários / pessoa);
MEIO AMBIENTE: a medida de impacto
ambiental não é um problema simples, este
depende da natureza dos meios receptores
(ar, água ou solo), do tipo de contaminantes
e da quantidade de contaminantes.
• “TECNOLOGIAS LIMPAS” (resíduo industrial)
QUATRO ELEMENTOS FUNDAMENTAIS:
• separação de linhas de resíduos, isto é,
tratamento diferenciado segundo a natureza
do resíduo;
• redução do consumo de água;
• otimização da recirculação e aproveitamento
dos resíduos;
• auditorias ambientais contínuas.