Reatores com células ou enzimas imobilizadas

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Reatores com enzimas/células 
imobilizadas 
Biorreatores 
Reatores quimicos nos quais ocorrem reações 
catalisadas por biocatalisadores. 
 
Enzimas 
Células Vivas: 
• Microrganismos 
• Animais 
• Vegetais 
• Existem infinitas formas de se conduzir um 
biorreator, dependendo das características 
próprias do microrganismo, meio de cultivo, e 
dos objetivos específicos do processo que se 
pretende executar. 
• São empregados em diversas áreas como para 
produção de enzimas, compostos orgânicos 
(combustíveis, polímeros), álcool, alimentos 
(iogurte, picles, condimentos, açúcar, 
enriquecimento protéico), rações para 
animais, medicamentos biofármacos 
(antibióticos, vacinas, anticorpos monoclonais, 
vitaminas), tratamento de água e resíduos, 
dentre outros. 
 
• Podem possuir caracteristicas bem distintas 
no que se refere a fenomenos de transporte 
(calor, massa e quantidade de movimento) 
 
Histórico 
• 6.000 a. C. bebidas alcoólicas (cerveja e vinho) 
• 2.000 a.C. panificação e bebidas fermentadas 
• 1875 d. C. Pasteur mostra que microrganismos efetuam a 
fermentação 
• 1880-1910 fermentação industrial (ácido láctico, etanol, 
vinagre) 
• 1880-1910 fermentação industrial (ácido láctico, etanol, 
vinagre) 
• 1910-1940 síntese de glicerol, acetona e ácido cítrico 
• 1940-1950 Antibióticos produzidos em larga escala através 
de processos fermentativos 
• 1953 - estabelecida a estrutura do DNA 
 
• 1973 - início da engenharia genética 
• 1982 - insulina humana é produzida 
• 1983 - Pesquisadores belgas e alemães produzem a primeira planta 
transgênica: tabaco resistente 
• 1985 - K. Mullis desenvolve a técnica do PCR (Polymerase Chain 
Reaction), permitindo a síntese de multicópias de DNA a partir de 
reduzidas amostras de material genético 
• 1986 - O primeiro interferon, produzido por engenharia genética, é 
aprovado, pela FDA, no combate ao câncer 
• 1989 - Experimentos, nos Estados Unidos, com as primeiras plantas 
geneticamente modificadas para produzirem proteínas contra 
doenças humanas 
• 1989 - Criação, nos Estados Unidos, do National Center for Human 
Genome Research, com o objetivo de mapear e sequenciar todo o 
DNA humano até 2005. 
 
• 1990 - Aprovação, nos EUA, do primeiro produto alimentício 
derivado da engenharia 
• 1990 - Aprovação, nos EUA, do primeiro produto alimentício 
derivado da engenharia genética: a quimosina, uma enzima 
empregada na fabricação de queijo e produzida por uma bactéria 
transgênica 
• 1994 - O tomate Flavr Savr é o primeiro produto geneticamente 
modificado a ser comercializado nos EUA. 
• 1996 - Ian Wilmut e sua equipe do Scotland Roslin Institute criam 
ovelha Dolly, a partir da clonagem de células de uma ovelha velha 
• 2000 - Obtenção, pelo Instituto de Tecnologia da Suíça, do arroz 
geneticamente modificado (arroz dourado), com maior teor de 
betacaroteno, precursor da vitamina A 
• 2004 - Genentech aprova no FDA Avastin®, anticorpo humanizado, 
antineoplásico. 
 
Classificação dos biorreatores 
Reatores com células ou enzimas 
imobilizadas 
• Biocatalisador se encontra imobilizado em um 
suporte inerte. 
 
Manutenção elevada de altas concentrações 
celulares 
Elevadas produtividades 
Classificação dos biorreatores 
 Quanto ao tipo de biocatalisador; 
• Reatores bioquímicos: 
• Reatores biológicos: 
Classificação dos biorreatores 
 Quanto à forma de agitação: 
• Mecânica; 
• Pneumática; 
Classificação dos biorreatores 
 Quanto à configuração; 
• Células/enzimas livres: 
• Células/enzimas confinadas entre 
membranas: 
• Células/enzimas imobilizadas: 
Reator Leito fixo 
 Neste processo o biocatalizador se 
encontra inerte em um suporte, por 
exemplo pectina, sílica e vidro . 
 A movimentação é quase nula . 
 
Imobilização 
• Formação de “pacotes”; 
 
• Adição do meio; 
 
• Suporte sólido; 
 
• Suporte de gel . 
• Vantagens : 
 Fácil recuperação do produto; 
 População constante . 
 
• Desvantagem: 
 Deficiência na transferência de 
Oxigênio e nutrientes; 
 Entupimento ; 
 Há perda de células por lavagem ; 
 
• Aplicações: 
 
Tratamento de Resíduos ; 
Produção de enzimas ; 
Produção tradicional de vinagre; 
Conversão de glucose em frutose 
Reator Fluidizado 
 As partículas são de material leve e a 
turbulência do ar e entrada do meio permitem a 
movimentação das mesmas. 
Imobilização 
• Pequenas células em pequenas partículas ; 
 
• Moléculas em suspensão; 
 
• Injeção de ar e de fluido. 
• Vantagens: 
 Baixo atrito; 
 Fácil recuperação das células; 
 
• Aplicações: 
 Alta homogeneização; 
 Baixo atrito; 
 Boa produtividade volumétrica. 
Modo de operação 
• Batelada (batch); 
• Batelada alimentada (fed-batch); 
• Contínuo. 
Batelada (batch) 
• Sistema fechado; 
• Volume do meio do 
reator permanece 
constante; 
Batelada (batch) 
Batelada (batch) 
Vantagens: 
• fácil operação e controle 
• menor risco de contaminação 
• construção e instrumentação simples e barata 
• processo adequado para curtos períodos de 
tempo 
• versatilidade de usos 
Batelada (batch) 
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 (fed-batch) 
• Adição de meio a 
medida que a 
fermentação progride; 
• Volume do reator é 
variável. 
Batelada Alimentada (fed-batch) 
Vantagens: 
• controle de oferta de substratos as células: 
permite alta concentração de substratos 
indutores; impede efeito de repressão 
catabólica; mantém baixa concentração de 
substratos inibitórios p/ formação de produto 
(ácido cítrico) 
• permite obtenção alta concentração celular 
Batelada Alimentada (fed-batch) 
Desvantagens 
• maior risco de contaminação 
• maior necessidade de controle do processo 
(adição nutrientes). 
 
Contínuo 
• Sistema aberto 
• O meio é adicionado de 
forma contínua 
• Produtos da 
fermentação 
continuamente 
removidos; 
• Volume é mantido fixo 
ou constante. 
Contínuo 
Contínuo 
Vantagens 
• 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 
Contínuo 
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). 
 
 
 SÍNTESE ENZIMÁTICA DE MONOÉSTERES DE 
ETILA CATALISADA POR CÉLULAS ÍNTEGRAS 
DE FUNGO FILAMENTOSO EM REATOR DE 
LEITO FIXO 
Resumo 
• Células do fungo filamentoso Mucor 
circinelloides ; 
• Imobilização in situ em poliuretano e 
utilizadas diretamente como biocatalisador na 
síntese de monoésteres de etila a partir da 
reação de etanólise do óleo de coco ; 
• Biorreator de leito fixo; 
• Comparação do desempenho para substratos 
em diferentes proporções durante 16 dias. 
INTRODUÇÃO 
• Uso de processos enzimáticos desponta como 
alternativa viável; 
• Lipases, grupo de enzimas versáteis, com ampla faixa 
de utilidade;• Diversidade de especificidade; 
• Processo com custos elevados; 
• Biomassa diretamente na reação ; 
• Reatores de fluxo contínuo método mais vantajoso; 
• Síntese enzimática e dimensão do reator no 
desempenho do processo. 
Resultados e Discussões 
Influência da razão molar 
Resultados e Discussões 
Influência da dimensão do reator 
Conclusão 
• Melhor desempenho obtido pelo reator B para 
o substrato constituído de óleo de coco: etanol e 
terc- butanol como solvente; 
• Foram obtidos rendimentos de 
transesterificação médio de 82,5 +- 3,2% durante 
16 dias; 
• Lípase do fungo M. Circinelloides imobilizada 
em poliuretano permaneceu estável quanto às 
características catalíticas em todos os 
experimentos; 
Conclusão 
• Produto obtido (ésteres de etila) não atende às 
características exigidas pela norma para uso como 
biocombustível. 
• Continuidade promissora dos estudos de 
síntese de biodiesel diante das inúmeras variáveis 
que podem ser otimizadas e das vantagens que 
este tipo de reator apresenta por conferir uma 
maior estabilidade ao biocatalisador.