Bioprocessos - PROCESSOS FERMENTATIVOS

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BIOPROCESSOS II 
CURSO DE BIOTECNOLOGIA 
 
PROF. ARMANDO GARCIA RODRIGUEZ 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS 
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA E BIOLOGIA MOLECULAR 
DISCIPLINA: ENGENHARIA BIOQUÍMICA 
CURSO: ENGENHARIA QUÍMICA 
 
OBJETIVOS: 
 - ESTUDAR OS ASPECTOS GERAIS DOS PROCESSOS 
 FERMENTATIVOS, ENTENDIMENTO E FUNCIONAMENTO DOS 
 BIORREATORES. 
 - DISCUTIR OS CRITÉRIOS DE VARIAÇÃO DE ESCALA, OPERAÇÕES 
 PARA A RECUPERAÇÃO DOS BIOPRODUTOS 
 - MOSTRAR EXEMPLOS E APLICAÇÕES 
 
EMENTA: 
 - NOÇÕES BÁSICAS DE BIOTECNOLOGIA E MICROBIOLOGIA 
 - CINÉTICA DE PROCESSOS FERMENTATIVOS 
 - AGITAÇÃO E AEREAÇÃO 
 - BIORREATORES 
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 
 
1- BORZANI, W.; SCHIMIDELL, W.; LIMA, U.A.; AQUARONE, E.: Biotecnologia 
Industrial. Volume I - Fundamentos, Ed. Edgard Blucher, SP, 2011. 
 
2- SCHIMIDELL, W.; LIMA, U.A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W.: Biotecnologia 
Industrial. Volume II – Engenharia Bioquímica. Ed. Edgard Blucher, SP, 2007. 
 
3- LIMA, U.A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W.; SCHMIDELL, W.: Biotecnologia 
Industrial. Volume III – Processos fermentativos e enzimáticos. Ed. Edgard 
Blucher, SP, 2007. 
 
4- Brown, C. M.; Campbell, I.; Priest, F.G. Introducción a la Biotecnología. 
Zaragoza (España): Ed. Acribia 1989. 
 
5- Bu'lock, John; Kristiansen, Bjorn. Biotecnología Básica. Zaragoza (España): 
Ed. Acribia 1991. 
 
6- Crueger, W.; Crueger, A. Biotecnología: Manual de Microbiologia Industrial. 
Zaragoza (Espanha): Ed. Acribia, 1993. 
 
7- Scriban, R. Biotecnologia. São Paulo: Ed. Manole, 1985. 
 
8- Smith, J. E. Biotechnology, 3ª ed. Cambridge University Press, 1996. 
DEFINIÇÃO DE ENGENHARIA BIOQUÍMICA 
MICROBIOLOGIA BIOQUÍMICA 
ENGENHARIA 
QUÍMICA 
ENGENHARIA 
BIOQUÍMICA 
FUNÇÃO: 
TRANSFORMAR CONHECIMENTOS OBTIDOS POR MICROBIOLOGISTAS E 
BIOQUÍMICOS EM PROCESSOS INDUSTRIAIS, COM VISTAS A APERFEIÇOÁ-
LOS, ASSIM COMO AUMENTAR A PRODUTIVIDADE E RENDIMENTO. 
• APROVEITAMENTO DOS MICRORGANISMOS E DAS REAÇÕES 
ENZIMÁTICAS PELO HOMEM (DESDE A ÉPOCA PRIMITIVA) 
 
• CARNE MATURADA 
• BEBIDAS ALCOÓLICAS (VINHO, CERVEJA) 
• QUEIJOS, COALHADA 
• VINAGRE 
• PÃO 
• SOJA FERMENTADA 
1857 LOUIS PASTEUR MICRORGANISMOS 
LEVEDURAS: 
FERMENTAÇÃO 
BACTÉRIAS: 
-DETERIORAÇÃO 
- DOENÇAS 
• HISTÓRICO 
 
• 1901: PIOCIANASE (O PRIMEIRO ANTIBIÓTICO) 
• PRODUÇÃO DE LEVEDURA P/ PANIFICAÇÃO 
• PRODUÇÃO DE ACETONA A PARTIR DO AMIDO (CLOSTRIDIUM) 
• 1923: PRODUÇÃO DE ÁCIDO CÍTRICO (ASPERGILLUS NIGER) 
• 1928: PENICILINA 1940: INDUSTRIALIZAÇÃO 
• OUTROS ANTIBIÓTICOS (ESTREPTOMICINA) 
• VITAMINAS (B2, B12, C) 
• CORTISONA E DERIVADOS 
• AMINOÁCIDOS (LISINA, GLUTAMATO) 
• HORMÔNIOS 
• INSETICIDAS (BACILLUS THURINGIENSIS) 
 
 
SACHAROMYCES 
ÁCIDO CÍTRICO 
ÁCIDO GLICÔNICO 
ACIDEZ 
SORBOSE 
ACETONA 
BUTANOL, ETANOL 
CONC. ALTA 
DE SUBSTRATO 
OU PRODUTO 
MICRORGANISMOS 
CONTAMINANTES 
PENICILINA 
(E OUTROS) 
CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO 
ESTRITAMENTE ASSÉPTICAS 
NOVOS 
DESAFIOS 
DESIGN DE FERMENTADORES 
TÉCNICAS DE OPERAÇÃO 
EQUIPAMENTOS E ACESSÓRIOS 
(PADRONIZAÇÃO, ADAPTAÇÕES) 
FILTRAÇÃO 
EXTRAÇÃO 
ADSORÇÃO 
CONCENTRAÇÃO 
+ 
ENGENHARIA 
BIOQUÍMICA 
ENGENHARIA 
QUÍMICA 
OPERAÇÕES E PROCESSOS UNITÁRIOS COMUNS 
PRINCÍPIOS ESTEQUIMÉTRICOS, CINÉTICOS E 
TERMODINÂMICOS SEMELHANTES 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS: 
•MISTURA DE TRÊS FASES HETEROGÊNEAS (MICRORG., MEIO E AR) 
•TRANSPORTE DE MASSA (OXIGÊNIO DO AR P/ O MICRORGANISMO) 
•TRANSPORTE DE CALOR (DO MEIO DE CULTURA P/ O AMBIENTE) 
PROCESSOS UNITÁRIOS (MECANISMOS DE REAÇÃO): 
•REDUÇÕES / OXIDAÇÕES 
•CONVERSÕES DE SUBSTRATO 
•HIDRÓLISE, POLIMERIZAÇÃO, BIOSSÍNTESE 
•FORMAÇÃO DE CÉLULAS 
BIOTECNOLOGIA: USO DE MICRORGANISMOS, CÉLULAS DE 
PLANTAS E ANIMAIS OU PARTES DE CÉLULAS, ASSIM COMO ENZIMAS, 
IMUNOGLOBULINAS OU GENES PARA A ELABORAÇÃO DE PRODUTOS 
OU PARA CONDUZIR PROCESSOS. 
INTERAÇÃO DA BIOTECNOLOGIA COM OS RAMOS DE CONHECIMENTO 
Bios: Vida; Tecnos: Arte ou Profissão; Logos: Estudo 
UTILIZAÇÃO DE MICRORGANISMOS NA INDÚSTRIA 
ATUAM COMO BIOCATALISADORES NA OBTENÇÃO DE PRODUTOS 
ALIMENTÍCIOS, FARMACÉUTICOS, ETC. 
BACTÉRIAS: AMPLAMENTE DISTRIBUÍDAS NA NATUREZA 
 - AERÓBICAS OU ANAERÓBICAS 
 - AUTOTRÓFICAS OU HETEROTRÓFICAS 
 -CRESCIMENTO EM MEIO AQUOSO 
 - PRODUÇÃO DE PRODUTOS INTERMEDIÁRIOS E FINAIS DO 
 METABOLISMO 
 - PRODUÇÃO DE ENZIMAS 
 
VÍRUS: OS MENORES MICRORGANISMOS EXISTENTES 
 - TESTAR FÁRMACOS ANTIVIRAIS 
 - PRODUÇÃO DE VACINAS 
 - INSERÇÃO DE INFORMAÇÃO GENÉTICA EM BACTÉRIAS 
 (BACTERIÓFAGOS) 
UTILIZAÇÃO DE MICRORGANISMOS NA INDÚSTRIA (CONT.) 
FUNGOS: AMPLAMENTE ESPALHADOS NA NATUREZA, UMIDADE MAIS BAIXA 
 DO QUE AQUELA QUE FAVORECE AS BACTÉRIAS. 
 - ESSENCIALMENTE AERÓBICOS 
 - BOLORES: FORMAÇÃO DE MICÉLIO (ESTRUTURAS FILAMENTOSAS 
 CHAMADAS HIFAS 
 - LEVEDURAS: GERALMENTE UNICALULARES, ESFÉRICOS OU 
 ELÍPTICOS. 
 
PARA TODOS OS MICRORGANISMOS: 
 - TEMPERATURA MÍNIMA 
 - TEMPERATURA ÓTIMA, A MAIS COMUM: 25 – 45 °C 
 - TEMPERATURA MÁXIMA 
 
 TERMÓFILOS: APROX. 60 °C 
 PSICRÓFILOS: APROX. 10 °C 
 MESÓFILOS: ENTRE 20 E 40 °C 
FONTES DE MICRORGANISMOS DE INTERESSE 
• ISOLAMENTO A PARTIR DE RECURSOS NATURAIS 
• COMPRA EM COLEÇÕES DE CULTURAS 
• OBTENÇÃO DE MUTANTES NATURAIS 
• OBTENÇÃO DE MUTANTES INDUZIDOS POR MÉTODOS 
CONVENCIONAIS 
• OBTENÇÃO DE MICRORGANISMOS RECOMBINANTES POR 
TÉCNICAS DE ENGENHARIA GENÉTICA 
 
CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS DE MICRORGANISMOS 
•ELEVADA EFICIÊNCIA NA CONVERSÃO DE SUBSTRATO EM PRODUTO 
•PERMITIR O ACÚMULO DE PRODUTO NO MEIO 
•NÃO PRODUZIR SUBSTÂNCIAS INCOMPATÍVEIS COM O PRODUTO 
•APRESENTAR CONSTÂNCIA NO COMPORTAMENTO FISIOLÓGICO 
•NÃO SER PATOGÊNICO 
•NÃO EXIGIR CONDIÇÕES DE PROCESSO MUITO COMPLEXAS 
•NÃO EXIGIR SUBSTRATOS DISPENDIOSOS 
•PERMITIR A RÁPIDA LIBERAÇÃO DO PRODUTO PARA O MEIO 
ATIVIDADE 
FERMENTATIVA 
CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS EM MUITOS 
ALIMENTOS (QUEIJOS, CONSERVAS, 
CHUCRUTES, EMBUTIDOS) 
-ESTABILIDADE (VIDA-DE-PRATELEIRA) 
-AROMA E SABOR CARACTERÍSTICOS 
-TEOR DE VITAMINAS 
-MAIOR DIGESTIBILIDADE 
-REDUÇÃO DA TOXICIDADE (GARI E PEUJEUM) 
SUBSTRATO PRODUTO 
MICRORGANISMO 
MONITORAMENTO DAS CONDIÇÕES DE FERMENTAÇÃO 
(pH, TEMPERATURA, COMPOSIÇÃO DO MOSTO) 
ALGUNS ALIMENTOS SUBMETIDOS A PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO 
ENGENHARIA BIOQUÍMICA 
 
CAPÍTULO 2: 
 
TECNOLOGIA DAS 
FERMENTAÇÕES 
CONSIDERAÇÕES SOBRE O METABOLISMO ENERGÉTICO 
METABOLISMO: TODAS AS REAÇÕES QUÍMICAS 
 QUE OCORREM NA CÉLULA 
REAÇÕES QUE PRODUZEM 
ENERGIA: CATABOLISMO 
REAÇÕES QUE UTILIZAM 
ENERGIA: ANABOLISMO 
AS CÉLULAS PRECISAM DE ENERGIA PARA: 
• BIOSÍNTESE DAS PARTES ESTRUTURAIS 
• SÍNTESE DE ENZIMAS, ÁCIDOS NUCLÉICOS, POLISSACARÍDEOS, 
FOSFOLIPÍDIOS, PROTEÍNAS E OUTROS COMPONENTES 
• TRANSPORTE DE NUTRIENTES 
• REPARO DE DANOS E MANUTENÇÃO DA CÉLULA EM BOAS 
CONDIÇÕES 
• CRESCIMENTO E MULTIPLICAÇÃO 
• ARMAZENAMENTO DE NUTRIENTES E EXCREÇÃO DE PRODUTOS 
INDESEJÁVEIS 
• REALIZAR MOVIMENTO 
OS MICRORGANISMOS E AS FERMENTAÇÕES 
• TRATAMENTO DA MATÉRIA PRIMA 
• PREPARO DOS MEIOS DE PROPAGAÇÃO E PRODUÇÃO 
• ESTERILIZAÇÃO E TRANSFORMAÇÃO DO SUBSTRATO EM 
PRODUTO 
• PROCESSOS DE PRODUÇÃO 
• PROCESSOS DE SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DO PRODUTO 
 
BIOPROCESSO: CONJUNTO DE OPERAÇÕES QUE INCLUEM 
A DIFERENÇA ENTRE BIOPROCESSOS E PROCESSOS QUÍMICOS RADICA 
NA NATUREZA DO CATALIZADOR UTILIZADO EM SUAS REAÇÕES: 
• MICRORGANISMOS 
• CÉLULAS ANIMAIS OU VEGETAIS 
• ENZIMAS 
ESQUEMA GERALDE UM PROCESSO FERMENTATIVO 
SUBSTRATO: 
A MATÉRIA PRIMA É UM DOS COMPONENTES MAIS RELEVANTES NOS 
CUSTOS DE PRODUÇÃO (ATÉ 75 %) 
APROVEITAMENTO DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS 
A ESCOLHA DEPENDE DA ATIVIDADE METABÓLICA DO MICRORGANISMO 
(EXIGENCIAS NUTRICIONAIS) PARA UM BOM DESEMPENHO 
FORTIFICAR OS COMPONENTES QUE FALTAM, RETIRAR OS QUE INIBEM 
RÁPIDA E EFICIENTE CONVERSÃO DO SUBSTRATO EM PRODUTO 
COM O RENDIMENTO DESEJADO 
OBS.: AS CONDIÇÕES QUE PERMITEM A PRODUÇÃO MÁXIMA DE 
MASSA CELULAR NÃO SÃO NECESSARIAMENTE AS MESMAS QUE 
PERMITEM A MÁXIMA PRODUÇÃO DE UM DETERMINADO PRODUTO. 
EX.: ASPERGILLUS NIGER TEM MELHOR RENDIMENTO DE ÁCIDO 
CÍTRICO QUANDO O CRESCIMENTO É RESTRINGIDO EM CONDIÇÕES 
DE SEMI-INANIÇÃO DE N e P, E ALTA CONCENTRAÇÃO DE AÇÚCAR. 
FONTES DE SUBSTRATO 
• SUBSTRATOS SOLÚVEIS: FACIMENTE EXTRAÍDOS E 
APROVEITÁVEIS (SACAROSE, GLICOSE, FRUTOSE, LACTOSE, 
PROVENIENTES DE CANA-DE-AÇÚCAR, BETERRABA, MELAÇO, 
SORO DE LEITE, ETC.) 
 
• SUBSTRATOS INSOLÚVEIS: PRECISAM DE TRATAMENTO 
MODERADO PARA SOLUBILIZAÇÃO E HIDRÓLISE ANTES DA 
CONVERSÃO EM PRODUTO (AMIDO DE MILHO, MANDIOCA, TRIGO, 
CEVADA, BATATA, ETC.) 
 
• SUBSTRATOS INSOLÚVEIS MUITO RESISTENTES: NECESSITAM DE 
PRÉ-TRATAMENTO FÍSICO, HIDRÓLISE QUÍMICA OU ENZIMÁTICA 
PARA PRODUZIR SUBSTRATOS NA FORMA MONOMÉRICA E SER 
CONVERTIDOS A PRODUTOS (CELULOSE E HEMICELULOSE) 
FONTE DE ENERGIA: 
 LUZ 
COMP. ORGÂNICOS 
ORG. AUTOTRÓFICOS 
ORG. HETEROTRÓFICOS 
ATP 
FONTE DE CARBONO: NAS BACTÉRIAS AUTOTRÓFICAS, É UTILIZADO O CO2; 
 NAS HETEROTRÓFICAS, COINCIDE COM A FONTE DE ENERGIA. 
 QUANTIDADE DE CARBONO CONVERTIDO 
EM MATERIAL CELULAR 
METABOLISMO 
ANAERÓBICO 
METABOLISMO 
AERÓBICO 
10 % 50 – 55 % 
FONTE DE NITROGÊNIO: 
 INORGÂNICO: AMÔNIA E SEUS SAIS 
 ORGÂNICO: FARELO DE SOJA OU AMENDOIM, FARINHA DE PEIXE OU 
 CARNE, BORRA DE CERVEJA, EXTRATO DE LEVEDURA, SORO LÁCTEO 
 
FONTE DE MINERAIS: FÓSFORO E MAGNÉSIO (p/ ATP), CÁLCIO, POTÁSSIO, 
 ENXOFRE E MICRONUTRIENTES (Fe, Co, Cu, Zn). 
ESTERILIZAÇÃO 
OPERAÇÃO PELA QUAL TODAS AS FORMAS DE VIDA (VEGETATIVAS OU 
ESPORULADAS) SÃO ELIMINADAS (DESTRUÍDAS OU REMOVIDAS) DO MEIO 
DE CULTURA E DOS EQUIPAMENTOS. 
EM ALGUNS PROCESSOS (PRODUÇÃO DE ETANOL, ÁCIDO ACÉTICO, ÁCIDO 
LÁTICO, ANTIBIÓTICOS...) A ELIMINAÇÃO PARCIAL É SUFICIENTE PARA 
GARANTIR A QUALIDADE DO PRODUTO, POIS O MESMO ATUA COMO 
INIBIDOR DO CRECIMENTO DOS MICRORGANISMOS CONTAMINANTES. 
EM OUTROS PROCESSOS (BIOTRATAMENTO DE RESIDUAIS E POLUENTES) 
PRESCINDE-SE TOTALMENTE DA ASSEPSIA POIS A MICROBIOTA NATIVA, 
ATUANDO DE FORMA CONSORCIADA É EXTREMAMENTE DESEJÁVEL PARA 
QUE HAJA REDUÇÃO DA CARGA ORGÂNICA POLUIDORA. 
ESTERILIZAÇÃO 
COM SUCESSO 
QUANDO ESTIVER GARANTIDA 
A ASSEPSIA ADEQUADA 
ESTERILIZAÇÃO DESINFECÇÃO 
USO DE UMA SUBSTÂNCIA QUE DESTRÓI OU INIBE O CRESCIMENTO 
DE CERTOS MICRORGANISMOS EM DETERMINADOS MEIOS 
AGENTES DE ESTERILIZAÇÃO 
E DESINFECÇÃO 
FÍSICOS QUÍMICOS 
•CALOR (SECO OU ÚMIDO) 
•FILTRAÇÃO (MEIO OU AR 
 ESTÉRIL) 
•RADIAÇÃO (ULTRA-SONS, 
 ULTRAVIOLETA, 
 RAIOS GAMMA, RAIOS 
 CATÓDICOS 
•ÁCIDOS, BASES, SAIS 
•HALOGÊNIOS, ÁLCOOIS, 
 ALDEÍDOS, 
 ÉTERES, FENÓIS 
TENDÊNCIA ATUAL 
AGENTES FÍSICOS 
AGENTES QUÍMICOS 
ESTERILIZAÇÃO 
DESINFECÇÃO 
(NA MAIORIA DOS PROCESSOS INDUSTRIAIS SÃO USADOS AGENTES FÍSICOS) 
ESTERILIZAÇÃO 
PASTEURIZAÇÃO 
121 °C; 15 min 
80 °C; 15 seg 
ELIMINA CÉLULAS VEGETATIVAS, 
PRINCIPALMENTE DE 
MICRORGANISMOS PATOGÊNICOS, 
QUE SÃO MAIS SENSÍVEIS 
ESTERILIZAÇÃO PELO CALOR SECO: 160 – 170 °C; 2 horas 
•APLICÁVEL: VIDRARIA E MATERIAL DE LABORATÓRIO, 
 RECHEIO FIBROSO DOS FILTROS DE AR 
•NÃO APLICÁVEL: MEIOS DE CULTURA OU LÍQUIDOS 
ESTERILIZAÇÃO PELO CALOR ÚMIDO: 121 °C; 15 – 20 min; 1 atm. 
 VAPOR SATURADO 
 ELIMINA AS FORMAS ESPORULADAS, MAIS RESISTENTES QUE AS 
 VEGETATIVAS, PODE SER FEITA POR DOIS MÉTODOS: 
a) COM VAPOR LATENTE: 100°C, VAPOR A PRESSÃO ATMOSFÉRICA, QUANDO: 
• NO MEIO HÁ COMPOSTOS QUE SE DECOMPOEM OU REAGEM COM 
OUTROS A TEMPERATURAS MAIS ELEVADAS 
• AS CONDIÇÕES DE CULTURA INIBEM O CRESCIMENTO DE 
CONTAMINANTES (EX., pH BAIXO) 
1- ESTERILIZAÇÃO SIMPLES POR VAPOR FLUENTE: 20 – 30 min 
2- TINDALIZAÇÃO: AMBIENTE ÚMIDO COM VAPOR FLUENTE A 100 °C; 
30 min; E REPETIDO MAIS 2 VEZES COM INTERVALOS DE 24 HORAS. 
OS ESPOROS SOBREVIVENTES AO PRIMEIRO AQUECIMENTO 
DESENVOLVEM-SE NAS 24 HORAS SEGUINTES E AS FORMAS 
VEGETATIVAS RESULTANTES SÃO ELIMINADAS NO SEGUNDO 
AQUECIMENTO. POR GARANTIA, FAZ-SE O TERCEIRO AQUECIMENTO 
APÓS 24 HORAS. 
b) COM VAPOR SATURADO SOB PRESSÃO: EM AUTOCLAVES, 121 °C, 1 atm. 
 15 – 20 min. 
ESTERILIZAÇÃO QUÍMICA: 
 * MÉTODO MENOS IMPORTANTE QUE OS ANTERIORES 
 * UTILIZADO PARA ESTERILIZAÇÃO DE SUPERFÍCIES 
 * MUITO UTILIZADO O ÓXIDO DE ETILENO, MISTURADO COM CO2 OU N. 
 (V) DESTRÓI CÉLULAS VEGETATIVAS E ESPOROS 
 (D) SÓ É EFETIVO NA PRESENÇA DE ÁGUA 
a) DESINFECTANTES: REAGEM DIRETAMENTE SOBRE ESTRUTURAS 
 MICROBIANAS, CAUSANDO A MORTE. SÃO TÓXICOS GERAIS, SEM 
 ESPECIFICIDADE. 
b) AGENTES QUIMIOTERÁPICOS: INTERFEREM EM DETERMINADAS VIAS 
 METABÓLICAS, E PORTANTO, ESPECÍFICOS A DETERMINADOS 
 MICRORGANISMOS. SINTÉTICOS (SULFAS, CLORANFENICOL) OU 
 NATURAIS (ANTIBIÓTICOS). 
 
ESTERILIZAÇÃO POR IRRADIAÇÃO DE LUZ ULTRAVIOLETA: 
 É ABSORVIDA POR MUITAS SUBSTÂNCIAS CELULARES, ESPECIALMENTE 
PELOS ÁCIDOS NUCLÉICOS (DNA, RNA), PROVOCANDO LESÕES. 
 MELHOR AÇÃO ESTERILIZANTE: 220 – 300 nm (REGIÃO ABIÓTICA) 
DESENVOLVIMENTO DOS AGENTES DE BIOPROCESSOS E A 
EXIGÊNCIA DE OXIGÊNIO 
BIOPROCESSOS 
AERÓBICOS 
SUPRIMENTO DE OXIGÊNIO 
(COMPRESSOR) 
(FUNGOS, ALGAS, MUITAS BACTÉRIAS) 
BIOPROCESSOS 
ANAERÓBICOS 
OXIGÊNIO 
(ALGUMAS BACTÉRIAS) 
AERÓBICOS 
FACULTATIVOS 
LEVEDURAS E MUITAS BACTÉRIAS 
EX: SACCHAROMYCES, CLOSTRIDIUM... 
ESTADO FÍSICO DO SUBSTRATO E DESENVOLVIMENTO DOS AGENTES DE 
FERMENTAÇÃO 
 
•SUBSTRATO LÍQUIDO 
 
 
•SUBSTRATO SÓLIDO OU SEMI-SÓLIDO 
SUPERFÍCIE 
 
PROFUNDIDADE (SUBMERSO) 
FERMENTAÇÃO EM ESTADO LÍQUIDO: 
 
•NA PRESENÇA DE GRANDE QUANTIDADE DE ÁGUA 
•CONDUZIDO EM TANQUES DE FERMENTAÇÃO (REATORES) 
•DIFERENTES TAMANHOS 
•DIFERENTES MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 
•ABERTOS OU FECHADOS 
•PERMITIU O AUMENTO DE ESCALA 
•PRODUTOS: ETANOL, BEBIDAS ALCOÓLICAS, ANTIBIÓTICOS, VITAMINAS, 
 ENZIMAS, etc. 
•VANTAGENS: 
•MEDIÇÃO E CONTROLE DE pH, TEMPERATURA, OXIGÊNIO, PRODUTO 
SUBSTRATO 
•SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DO PRODUTO 
•MAIOR FACILIDADE P/ PROCESSO CONTÍNUO E AUTOMATIZADO 
PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO EM MEIO LÍQUIDO NA SUPERFÍCIE: 
 
•A BIOMASSA SITUA-SE NA SUPERFÍCIE DO MEIO LÍQUIDO, EM CONTATO 
 DIRETO COM O AR ATMOSFÉRICO (OXIGÊNIO) 
•DIFUSÃO: 
• NUTRIENTES DAS CAMADAS MAIS PROFUNDAS PARA A SUPERFICIAL 
•PRODUTOS DA CAMADA SUPERFICIAL PARA O MEIO 
IMPORTANTE: RELAÇÃO ENTRE A ÁREA OFERECIDA E O VOLUME DO MEIO 
 
•REATORES: RECIPIENTES RASOS (BANDEJAS) 
•TEMPO DE FERMENTAÇÃO LONGO (TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA DE 
 NUTRIENTES LENTA) 
•OPERAÇÃO DIFÍCIL 
•PROCESSOS POUCO ECONÔMICOS (ALTO CUSTO DE PRODUÇÃO) 
•MANIPULAÇÃO CUSTOSA DA ESTERILIZAÇÃO 
•ENCHIMENTO, ESVAZIAMENTO E LIMPEZA DAS VÁRIAS BANDEJAS 
 NECESSÁRIAS NA PRODUÇÃO EM LARGA ESCALA. 
•UTILIZADO PRINCIPALMENTE PARA FUNGOS FILAMENTOSOS, QUE 
FORMAM UMA PELÍCULA MICELIAL NA SUPERFÍCIE DO MEIO. 
 
PROCESSOS DE FERMENTAÇÃO EM MEIO LÍQUIDO – SUBMERSOS 
 
•O MICRORGANISMO PRODUTOR DESENVOLVE-SE NO INTERIOR DO MEIO 
 DE FERMENTAÇÃO. 
•GERALMENTE AGITADOS 
•O OXIGÊNIO É SUPRIDO ATRAVÉS DE UM COMPRESSOR, POR 
 BORBULHAMENTO DE AR(FERMENTAÇÕES AERÓBIAS) 
•UTILIZADO NA MAIORIA DAS FERMENTAÇÕES INDUSTRIAIS 
IMPORTANTES 
 
•VANTAGENS: 
 
•MANIPULAÇÃO DE VOLUMES MAIORES DE MEIO,COM MAIOR 
 FACILIDADE 
•MAIOR FACILIDADE DE AJUSTE DAS CONDIÇÕES IDEAIS DE 
 CRESCIMENTO E PRODUÇÃO. 
•MAIOR EFICIÊNCIA NA ABSORÇÃO DE NUTRIENTESE EXCREÇÃO DE 
 METABÓLITOS 
•MENORES TEMPOS DE FERMENTAÇÃO 
•MELHOR PRODUTIVIDADE 
FERMENTAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO: 
 
•CULTURA DE MICRORGANISMOS SOBRE OU NO INTERIOR DE 
 PARTÍCULAS EM MATRIZ SÓLIDA 
•O CONTEÚDO DE LÍQUIDO LIGADO À MATRIZ TEM UMA aw QUE 
 ASSEGURE O CRESCIMENTO E METABOLISMO DAS CÉLULAS, 
 MAS QUE NÃO EXCEDA A MÁXIMA CAPACIDADE DE LIGAÇÃO DA 
 ÁGUA COM A MATRIZ SÓLIDA. 
•É O MAIS ANTIGO PROCESSO FERMENTATIVO (TAMBÉM CHAMADO DE 
 “FERMENTAÇÃO EM MEIO SEMI-SÓLIDO” 
 
•(EX.: ALIMENTOS ORIENTAIS FERMENTADOS (KOJI, TEMPEH, NATO 
 MISO) A PARTIR DE SOJA E CEREAIS; PÃO NO EGITO, VINAGRE 
 DE POLPAS, ÁCIDO CÍTRICO, PENICILINA, HORMÔNIOS 
 ESTERÓIDES, ENZIMAS...) 
MATERIAIS INSOLÚVEIS NA ÁGUA 
O SUPORTE SÓLIDO 
ATUA COMO FONTE DE 
NUTRIENTES 
OS NUTRIENTES SÃO SOLÚVEIS EM 
ÁGUA E OS MICRORGANISMOS ESTÃO 
ADERIDOS A UMA MATRIZ SÓLIDA QUE 
ABSORVE O MEIO LÍQUIDO 
SUBSTRATOS 
PRODUTOS AGRÍCOLAS: 
ARROZ,TRIGO, PAINÇO, 
CEVADA, MILHO, SOJA 
RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS E 
FORESTAIS: BAGAÇO DE CANA, 
SABUGO DE MILHO, FARELO DE 
TRIGO, PALHA DE ARROZ 
INTERESSE: MATÉRIAS-PRIMAS DE BAIXO CUSTO 
 AGREGAR VALOR A RESÍDUOS ABUNDANTES 
OPERAÇÃO DOS BIOPROCESSOS EM ESTADO SÓLIDO: 
 
•SEM AGITAÇÃO MECÂNICA 
•COM AGITAÇÃO OCASIONAL 
•COM AGITAÇÃO CONTÍNUA 
 
 
 REATORES ESTÁTICOS OU 
DINÂMICOS 
REATORES MAIS USADOS NA FMSS 
 
•BANDEJA 
•SISTEMA WINDROW 
•REATOR TUBULAR HORIZONTAL OU VERTICAL (TORRE) 
•LEITO FIXO (COM OU SEM AERAÇÃO FORÇADA) 
•TAMBOR ROTATIVO 
•TANQUE AGITADO 
•ESTEIRA ROLANTE 
•SACOS PLÁSTICOS 
 
REGIMES DE FERMENTAÇÃO: 
 
-DESCONTÍNUA MENOR CUSTO 
 CONTROLE ADEQUADO DIFÍCIL 
 
-CONTÍNUA MAIOR CUSTO 
 CONTROLE MAIS ADEQUADO 
BIORREATORES TIPO “TAMBOR ROTATIVO” 
USADOS NA FERMENTAÇÃO EM MEIO SEMI - SÓLIDO 
FERMENTAÇÃO EM MEIO SÓLIDO 
 
VANTAGENS: 
 
•SIMPLICIDADE DOS MEIOS DE FERMENTAÇÃO (ÀS VEZES, SÓ PRECISA 
 ACRESCENTAR ÁGUA) 
•AUSÊNCIA DE REQUERIMENTOS DE MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS 
 SOFISTICADOS 
•DEMANDA REDUZIDA DE ENERGIA 
•BAIXO GRAU DE UMIDADE, REDUZINDO RISCOS DE CONTAMINAÇÃO 
•AS CONDIÇÕES DE CRESCIMENTO DO MICRORGANISMO SÃO SEMELHANTES 
ÀS ENCONTRADAS EM SEU AMBIENTE NATURAL 
•AUSÊNCIA DE FORMAÇÃO DE ESPUMA 
 
•FATORES LIMITANTES 
 
•MENOR ACESSIBILIDADE E DISPONIBILIDADE DE SUBSTRATO 
•PROBLEMAS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA (OXIGÊNIO, NUTRIENTES, 
 CALOR) 
•DIFICULDADES NO CONTROLE DE VARIÁVEIS FÍSICO-QUÍMICAS (pH, 
TEMPERATURA, OXIGÊNIO) 
•DIFICULDADES NO AUMENTO DE ESCALA 
 
CINÉTICA DOS BIOPROCESSOS 
 
NUTRIENTES ESSENCIAIS 
pH FAVORÁVEL CRESCIMENTO (REPRODUÇÃO) 
TEMPERATURA FAVORÁVEL 
MICRORGANISMOS 
UNICELULARES 
DIVISÃO CELULAR 
AUMENTO DA AUMENTO DO 
BIOMASSA No. DE CÉLULAS 
BOLORES OU FUNGOS 
FILAMENTOSOS 
COMPRIMENTO E No. 
DE MICÉLIOS 
AUMENTO DA AUMENTO DO 
BIOMASSA No. DE CÉLULAS 
CRESCIMENTO 
CONSUMO DE MATERIAL DO 
MEIO (SUBSTRATO) 
LIBERAÇÃO DE 
METABÓLITOS (PRODUTO) 
MEDIDA DO PROCESSO 
DE CRESCIMENTO 
MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS 
(PESO SECO) 
MÉTODOS TURBIDIMÉTRICOS 
(DENSIDADE ÓTICA) 
CINÉTICA DE UM BIOPROCESSO: ANÁLISE DA EVOLUÇÃO DOS 
VALORES DE CONCENTRAÇÃO DE UM OU MAIS COMPONENTES DO 
SISTEMA PRODUTIVO, EM FUNÇÃO DO TEMPO DO BIOPROCESSO. 
 
 COMPONENTES: 
 * O MICRORGANISMO (BIOMASSA) X 
 * OS NUTRIENTES (SUBSTRATO) S 
 * OS METABÓLITOS (PRODUTO) P 
CINÉTICA DE UM PROCESSO FERMENTATIVO 
CURVA DE CRESCIMENTO MICROBIANO 
FASE “LAG” (ADAPTAÇÃO): 
 
•AS CÉLULAS INOCULADAS SE ADAPTAM AO NOVO MEIO 
•AS CÉLULAS SINTETIZAM AS ENZIMAS NECESSÁRIAS P/ METABOLIZAR 
OS NUTRIENTES PRESENTES NO MEIO 
•NÃO HÁ REPRODUÇÃO CELULAR 
•A DURAÇÃO DA FASE DEPENDE DE: 
•CONCENTRAÇÃO DO INÓCULO 
•IDADE DO MICRORGANISMO (TEMPO DE PRÉ-CULTIVO) 
•ESTADO FISIOLÓGICO DO MICRORGANISMO 
FASE EXPONENCIAL OU LOGARÍTMICA: 
 
•ALTA VELOCIDADE DE CRESCIMENTO 
•A PRODUÇÃO DE BIOMASSA ATINGE A VELOCIDADE MÁXIMA 
 
FASE DE TRANSIÇÃO: 
 
•A VELOCIDADE DE CRESCIMENTO COMEÇA A DIMINUIR 
•INIBIÇÃO POR PRODUTOS DA FERMENTAÇÃO 
•INIBIÇÃO PELA ALTA CONCENTRAÇÃO DE BIOMASSA 
•DEFICIÊNCIA DE OXIGÊNIO 
•INIBIÇÃO POR PRODUTOS SECUNDÁRIOS TÓXICOS 
 
FASE ESTACIONÁRIA: 
 
•A TAXA DE CRESCIMENTO IGUALA-SE À TAXA DE MORTE 
 
FASE DE MORTE: 
 
•SE O PROCESSO CONTINUAR, A CURVA DE CRESCIMENTO TORNA-SE 
DECRESCENTE (A TAXA DE MORTE É MAIOR QUE A TAXA DE 
CRESCIMENTO 
O PROCESSO DE FERMENTAÇÃO 
 
 
CARACTERÍSTICAS 
PRÓPRIAS DO 
MICRORGANISMO COMPOSIÇÃO DO 
MEIO DE CULTIVO 
FORMAS DE 
CONDUZIR 
UM REATOR 
BIOLÓGICO 
OBJETIVOS 
ESPECÍFICOS DO 
PROCESSO 
O PROCESSO DE FERMENTAÇÃO 
•DESCONTÍNUO 
 
•COM UM INÓCULO POR TANQUE 
•COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS 
•SEMI-CONTÍNUO 
 
•SEM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS 
•COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS 
•DESCONTÍNUO ALIMENTADO 
 
•SEM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS 
•COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS 
•CONTÍNUO 
 
•EM UM REATOR (COM OU SEM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS) 
•EM VÁRIOS REATORES (COM OU SEM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS) 
DESCONTÍNUO SIMPLES: UM INÓCULO POR TANQUE 
-PREPARAÇÃO DO SUBSTRATO ADEQUADO 
-COLOCAR O SUBSTRATO EM UM BIORREATOR 
-ADICIONAR O MICRORGANISMO RESPONSÁVEL PELO BIOPROCESSO 
-CONDUZIR E CONTROLAR O BIOPROCESSO 
-RETIRAR O CALDO DO BIORREATOR 
-RECUPERAÇÃO E PURIFICAÇÃO DO PRODUTO 
•BAIXA EFICIÊNCIA 
•PROBLEMAS DE INIBIÇÃO POR SUBSTRATO, PRODUTO OU OUTROS 
 METABÓLITOS 
DESCONTÍNUO COM RECIRCULAÇÃO DE CÉLULAS 
 OU BATELADA REPETIDA 
 
• NO FIM DA BATELADA, AS CÉLULAS SÃO SEPARADAS POR 
 CENTRIFUGAÇÃOOU SEDIMENTAÇÃO NO INTERIOR DO PRÓPRIO 
 BIORREATOR 
•O CALDO FERMENTADO É ENVIADO PARA RECUPERAÇÃO DO PRODUTO 
•AS CÉLULAS SEPARADAS SERVEM DE INÓCULO PARA A PRÓXIMA 
 BATELADA 
 
•VANTAGENS 
 
•EVITA O PREPARO DE UM NOVO INÓCULO PARA CADA BATELADA 
•REDUZ CUSTOS E TEMPO PARA A OBTENÇÃO DE ALTAS CONCENTRAÇÕES 
CELULARES NO BIORREATOR 
 
•DESVANTAGEM 
 
•MAIOR RISCO DE CONTAMINAÇÃO 
SEMI – CONTÍNUO 
 
•O LÍQUIDO PROCESSADO É RETIRADO 
•O REATOR É PREENCHIDO COM MEIO NOVO A UMA VAZÃO MUITO ELEVADA 
 (COMO SE O PREENCHIMENTO FOSSE INSTANTÂNEO) 
•NO FIM DO NOVO CICLO, RETIRA-SE UMA PARTE DO CALDO FERMENTADO 
 (30 – 60 %) E PREENCHE-SE O REATOR INSTANTANEAMENTE COM 
 MEIO ESTÉRIL. 
 
(EM REATORES DE GRANDES VOLUMES O PREENCHIMENTO INSTANTÂNEO 
NÃO OCORRE, RECAINDO NO REATOR DESCONTÍNUO ALIMENTADO) 
PARA CONSEGUIR O MÁXIMO DESEMPENHO, MUITAS VEZES DIFERENTES 
CONCEITOS SÃO COMBINADOS (FLEXIBILIDADE DE OPERAÇÃO) 
DESCONTÍNUO ALIMENTADO – “FED BATCH” 
 
•INICIALMENTE INTRODUZ-SE O INÓCULO (10 – 20% DO VOLUME ÚTIL) 
•SEGUIDAMENTE INICIA-SE A ALIMENTAÇÃO COM MEIO DE CULTURA, A 
 UMA VAZÃO ADEQUADA, SEM RETIRAR O LÍQUIDO PROCESSADO. 
•APÓS O PREENCHIMENTO DO VOLUME ÚTIL DO REATOR, INICIA-SE A 
 RETIRADA DO CALDO FERMENTADO PARA A RECUPERAÇÃO DO 
 PRODUTO 
CONSTANTE OU INTERMITENTE 
COM VAZÃO CONSTANTE OU NÃO 
COMPOSIÇÃO DO MEIO 
CONSTANTE OU VARIÁVEL 
ALIMENTAÇÃO 
CONTROLADA OU NÃO POR UM 
MECANISMO DE RETROALIMENTAÇÃO 
CONTÍNUO 
 
•ESTABELECE-SE UM FLUXO CONTÍNUO DE LÍQUIDO ATRAVÉS DE UM 
REATOR OU DE VÁRIOS REATORES DISPOSTOS EM SÉRIE (ONDE O 
EFLUENTE DE UM REATOR É A ALIMENTAÇÃO DO SEGUINTE) 
CONTÍNUO 
VANTAGENS DO PROCESSO CONTÍNUO•AUMENTO DA PRODUTIVIDADE, PELA REDUÇÃO DOS TEMPOS MORTOS 
 OU NÃO PRODUTIVOS 
 
•OBTENÇÃO DE CALDO FERMENTADO UNIFORME, FACILITANDO O 
 PROJETO DAS OPERAÇÕES DE RECUPERAÇÃO E PURIFICAÇÃO 
 DO PRODUTO 
 
•MANUTENÇÃO DAS CÉLULAS EM UM MESMO ESTADO FISIOLÓGICO 
 
•POSSIBILIDADE DE ASSOCIAÇÃO COM OUTRAS OPERAÇÕES CONTÍNUAS 
 NA LINHA DE PRODUÇÃO 
 
•MAIOR FACILIDADE NO EMPREGO DE CONTROLES AVANÇADOS 
 
•MENOR NECESSIDADE DE MÃO DE OBRA 
DESVANTAGENS DO PROCESSO CONTÍNUO 
 
•MAIOR INVESTIMENTO FIXO NA PLANTA 
 
•POSSIBILIDADE DE OCORRÊNCIA DE MUTAÇÃO GENÉTICA ESPONTÂNEA, 
 RESULTANDO EM MUTANTES MENOS PRODUTIVOS 
 
•MAIOR POSSIBILIDADE DE OCORRÊNCIA DE CONTAMINAÇÃO, POR SE 
 TRATAR DE UM SISTEMA ESSENCIALMENTE ABERTO 
 
•NECESSIDADE DE MANUTENÇÃO DAS CONDIÇÕES DE ASSEPSIA NOS 
 SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO E RETIRADA DO MEIO 
 
•DIFICULDADE DE MANUTENÇÃO DE HOMOGENEIDADE NO REATOR 
 QUANDO SE TRABALHA COM BAIXAS VAZÕES OU QUANDO O 
 CALDO ADQUIRE COMPORTAMENTO PSEUDOPLÁSTICO (EX: 
 CULTIVO DE FUNGOS FILAMENTOSOS) 
 
•DIFICULDADE DE OPERAÇÃO EM ESTADO ESTACIONÁRIO EM 
 DETERMINADAS SITUAÇÕES (FORMAÇÃO DE ESPUMA, 
 CRESCIMENTO DO MICRORGANISMO NAS PAREDES DO REATOR 
 OU NOS SISTEMAS DE ENTRADA E SAÍDA DE LÍQUIDO 
DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS CINÉTICOS 
 
VELOCIDADES INSTANTÂNEAS DE CRESCIMENTO E DE TRANSFORMAÇÃO 
(EX.: CULTIVO EM BATELADA - SIMPLES E AMPLAMENTE USADO) 
 
 CONCENTRAÇÃO CELULAR (X) 
PERFIS DE CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO (S) 
 CONCENTRAÇÃO DE PRODUTO (P) 
 
VELOCIDADES INSTANTÂNEAS: 
 
rx = dX / dt 
 
rs = - dS / dt 
 
rp = dP / dt 
 
CÁLCULO: A PARTIR DAS TANGENTES (INCLINAÇÃO) DAS CUVAS OBTIDAS 
NUM DADO TEMPO DE CULTIVO. 
 
VÁLIDO PARA DIFERENTES FORMAS DE CULTIVO 
VELOCIDADES ESPECÍFICAS DE CRESCIMENTO E TRANSFORMAÇÃO: 
 
•A CONCENTRAÇÃO CELULAR VARIA (PROCESSOS DISCONTÍNUOS) 
•AS CÉLULAS SÃO OS CATALISADORES DAS REAÇÕES 
AUMENTO DA 
CONCENTRAÇÃO 
CELULAR 
AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO 
DO COMPLEXO ENZIMÁTICO 
RESPONSÁVEL PELA 
TRANSFORMAÇÃO DO 
SUBSTRATO NO PRODUTO 
FATORES DE CONVERSÃO (COEFICIENTES DE RENDIMENTO) 
 
DEFINIDOS COM BASE NO CONSUMO DE UM MATERIAL PARA A 
FORMAÇÃO DE OUTRO 
EM UM INTERVALO DE TEMPO EM RELAÇÃO AO ESPAÇO 
(PARA PROCESSOS 
DESCONTÍNUOS) 
(PARA PROCESSOS 
CONTÍNUOS) 
1. COEFICIENTE DE RENDIMENTO CELULAR 
 (RENDIMENTO DE SUBSTRATO A CÉLULAS) 
•COEFICIENTE GLOBAL DE CONVERSÃO DE SUBSTRATO EM CÉLULAS 
 (RENDIMENTO APARENTE OU OBSERVADO) 
•VARIA AO LONGO DO CULTIVO 
•ALCANÇA O VALOR MÁXIMO DURANTE A ETAPA DE CRESCIMENTO 
 EXPONENCIAL (EM CULTIVOSDESCONTÍNUOS) 
2. COEFICIENTE DE RENDIMENTO DE PRODUTO 
 (RENDIMENTO DE SUBSTRATO A PRODUTO) 
•COEFICIENTE GLOBAL, VARIÁVEL DURANTE O CULTIVO (CONSUMO 
 TOTAL DE UM MATERIAL PARA A FORMAÇÃO DE OUTRO) 
 
•PARA UM DETERMINADO TEMPO (t): 
PORTANTO: 
DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DE CRESCIMENTO 
ENTÃO, PARA N GERAÇÕES TEMOS: 
 
 X = Xo * 2
N 
PARA g: TEMPO DE GERAÇÃO OU DUPLICAÇÃO 
 t: TEMPO DE CRESCIMENTO 
ENTÃO: X = Xo * 2
t/g 
APLICANDO Ln A X = Xo * 2
t/g TEM-SE: 
0,69/g CONSTANTE 
VELOCIDADE ESPECÍFICA DE CRESCIMENTO: 
INTEGRANDO: 
•A VELOCIDADE ESPECÍFICA DE CRESCIMENTO CORRESPONDE AO 
AUMENTO DA POPULAÇÃO POR UNIDADE DE TEMPO E POR UNIDADE DE 
POPULAÇÃO. 
 
•A PARTE LINEAR DA CURVA É mmax OU SEJA, A VELOCIDADE ESPECÍFICA 
DE CRESCIMENTO MÁXIMA. 
CINÉTICA DE CRESCIMENTO DE MONOD 
CONSIDERANDO UM SUBSTRATO COMO LIMITANTE (NORMALMENTE A 
FONTE DE CARBONO) E OS OUTROS EM EXCESSO 
IDÉNTICA À EXPRESSÃO DE MICHAELIS E MENTEN PARA AS ENZIMAS 
LINEARIZAÇÃO DE LINEWEAVER E BURK: 
tan = y/x 
METABOLISMO ENDÓGENO: 
 
DESVIO DA EQUAÇÃO DE MONOD, EM FERMENTADOR CONTÍNUO, 
COM TAXA DE DILUIÇÃO MUITO BAIXA 
(REAÇÕES ENVOLVENDO O MATERIAL INTRACELULAR) 
ke: TAXA DE METABOLISMO ENDÓGENO; kd: TAXA DE MORTE 
 
(pags 36 – 38: Outros modelos de crescimento) 
BIORREATORES 
•SÃO O CORAÇÃO DOS PROCESSOS BIOQUÍMICOS 
REAÇÕES RESULTANTES DO 
CRESCIMENTO DE 
MICRORGANISMOS 
REAÇÕES 
CATALISADAS POR 
ENZIMAS 
REATORES BIOLÓGICOS 
FERMENTADORES 
REATORES BIOQUÍMICOS 
•CINÉTICA DAS REAÇÕES 
 BIOLÓGICAS 
 
•BALANÇOS DE ENERGIA E 
 MASSA 
- PROJETO E DIMENSIONAMENTO 
É O AMBIENTE ONDE ACONTECE: 
 
-CONTATO ENTRE A FASE BIÓTICA E A FASE ABIÓTICA 
-TRANSFERÊNCIA DOS NUTRIENTES DO MEIO EXTERNO PARA A 
 CÉLULA 
-DISTRIBUIÇÃO HOMOGÊNEA DAS CÉLULAS / PARTÍCULAS NO MEIO DE 
 CULTURA 
CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS BIORREATORES 
 
(I) REATORES EM FASE AQUOSA (FERMENTAÇÃO SUBMERSA) 
 (I.1) CÉLULAS / ENZIMAS LIVRES 
 * REATORES AGITADOS MECANICAMENTE (STR: “stirred tank reactor”) 
 * REATORES AGITADOS PNEUMATICAMENTE 
 - COLUNA DE BOLHAS (“bubble column”) 
 - REATORES “AIR LIFT” 
 *REATORES DE FLUXO PISTONADO (“plug flow”) 
(I) REATORES EM FASE AQUOSA (FERMENTAÇÃO SUBMERSA) CONT. 
 (I.2) CÉLULAS / ENZIMAS IMOBILIZADAS EM SUPORTES 
 * REATORES COM LEITO FIXO 
 * REATORES COM LEITO FLUIDIZADO 
 * OUTRAS CONCEPÇÕES (FLUXO PARALELO) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (I.3) CÉLULAS / ENZIMAS CONFINADAS ENTRE MEMBRANAS 
 *REATORES COM MEMBRANAS PLANAS 
 *REATORES DE FIBRA OCA (“hollow fiber”) 
 
(II) REATORES EM FASE NÃO-AQUOSA (FERMENTAÇÃO SEMI-SÓLIDA) 
 *REATORES ESTÁTICOS (BANDEJAS) 
 *REATORES COM AGITAÇÃO (TAMBOR ROTATIVO) 
 * REATORES COM LEITO FIXO OU FLUIDIZADO (GÁS – SÓLIDO) 
TANQUES CIRCULARES 
ESTEIRA ROLANTE 
TAMBOR ROTATIVO 
(REATOR TUBULAR HORIZONTAL) 
90% DOS REATORES 
UTILIZADOS INDUSTRIALMENTE 
REATORES AGITADOS MECANICAMENTE 
(REATORES DE MISTURA) 
CAPACIDADE: 
100 L - 2 m3 : MICRORGANISMOS PATOGÊNICOS, CÉLULAS VEGETAIS E 
 ANIMAIS (ÁREA DA SAÚDE) 
 
10 m3 – 200 m3: PRODUÇÃO DE ENZIMAS, ANTIBIÓTICOS E VITAMINAS 
 
ATÉ 2.000 m3: FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA, TRATAMENTO DE RESIDUAIS 
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES 
PRODUTO ORGANISMO BIORREATOR REGIME 
RIBONUCLEASE Aspergillus 
clavalus 
COLUNA DE 
BOLHAS 
BATELADAS 
REPETIDAS 
a - AMILASE Bacillus subtilis AIR LIFT CONTÍNUO 
ETANOL Saccharomyces PLUG FLOW 
(TUBULAR) 
CONTÍNUO 
LACTATO DE 
AMÔNIO 
Streptococcus 
cremois 
STR CONTÍNUO 
(SÉRIE) 
CEFALOSPORINA AIR LIFT 
ÁCIDO CÍTRICO Candida lypolitica STR CONTÍNUO 
c/RECICLO DE 
CÉLULAS 
AMILO-
GLICOSIDASE 
Aspergillus sp STR DESCONTÍNUO 
ALIMENTADO, 
CONTÍNUO 
(2,5 X) 
BALANÇOS DE MASSA 
ENTRADA + GERAÇÃO - SAÍDA - CONSUMO = ACÚMULO 
REATORES DE MISTURA – SISTEMA DE BATELADA 
MODOS DE OPERAÇÃO DE UM SISTEMA EM BATELADA 
 
•PROCESSOS EM QUE A DORNA RECEBE UM INÓCULO 
•PROCESSOS COM RECIRCULAÇÃO DO MICRORGANISMO 
•PROCESSO POR MEIO DE CORTES 
 
BALANÇO DE CÉLULAS BALANÇO DE SUBSTRATO 
SOMANDO AS EQUAÇÕES: 
OU SEJA, PARA X(0) = X0 e S(0) = S0: 
REATORES EM BATELADA ALIMENTADA 
 
•O SUBSTRATO É ALIMENTADO CONSTANTEMENTE DURANTE O 
PROCESSO FERMENTATIVO 
 
CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO 
APROXIMADAMENTE CONSTANTE 
SISTEMA COM VOLUME 
VARIÁVEL 
•ELIMINA A INIBIÇÃO POR SUBSTRATO 
•ALTAS PRODUTIVIDADES 
•BALANÇOS SIMILARES À BATELADA SIMPLES, EXCETO 
V: VOLUME DO REATOR NUM TEMPO t 
F: VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO 
rS: VELOCIDADE DE CONSUMO DE SUBSTRATO 
rX: VELOCIDADE DE CRESCIMENTO 
 
LEMBRANDO: [S] É CONSTANTE PELO EFEITO DA ADIÇÃO DE 
SUBSTRATO E PORTANTO: m TAMBÉM TORNA-SE CONSTANTE 
REATORES EM BATELADA ALIMENTADA (CONT.) 
SABENDO QUE: 
XV 
(XV0) 
INTEGRANDO 
VAZÃO DE ALIMENTAÇÃO NECESSÁRIA 
PARA MANTER S CONSTANTE: 
SUBSTITUINDO F PORdV/dt E INTEGRANDO: 
 
ESTIMATIVA DA VARIAÇÃO DO VOLUME E DA CONCENTRAÇÃO DA BIOMASSA 
REATORES DE MISTURA CONTÍNUOS 
 
MONOD (1950): “AS CULTURAS DE MICRORGANISMOS 
PODEM SER MANTIDAS EM ESTADO ESTACIONÁRIO POR 
LONGOS PERÍODOS, EM QUALQUER TAXA DE 
CRESCIMENTO ATÉ mmax 
REATORES DE MISTURA CONTÍNUOS (CONT.) 
QUIMIOSTATO: O MEIO NOVO (ESTÉRIL) É INTRODUZIDO EM UMA 
VELOCIDADE IGUAL À DA RETIRADA DO MEIO FERMENTADO, MANTENDO 
AS PROPRIEDADES QUÍMICAS DO AMBIENTE CONSTANTES, QUANDO O 
SISTEMA OPERA EM REGIME PERMANENTE. 
 
TURBIDOSTATO: QUIMIOSTATO PROVIDO DE UMA CÉLULA FOTOELÉTRICA 
PARA REGULAR A TURBIDEZ DA CULTURA, AUMENTANDO A VAZÃO DE 
ENTRADA DO MEIO (F) QUANDO A CONCENTRAÇÃO CELULAR 
ULTRAPASSA O NÍVEL DESEJADO. 
 
O VOLUME DE LÍQUIDO É MANTIDO CONSTANTE ATRAVÉS DE UM 
CONTROLADOR DE NÍVEL 
BALANÇO DE CÉLULAS: 
CÉL. ENTRANDO – CÉL. SAINDO + CÉL. CRESCENDO = ACÚMULO 
BALANÇO DE CÉLULAS (FERMENTADOR CONTÍNUO) 
SABENDO QUE rX = mX; Fo = F; V é CONSTANTE, PORTANTO: 
NORMALMENTE X0 = 0 PORTANTO: 
EM REGIME PERMANENTE dX / dt = 0; LOGO: 
CHAMANDO F / V DE TAXA DE DILUIÇÃO (D) TEMOS: 
 
 m = D 
PORTANTO, EM REGIME ESTACIONÁRIO, A TAXA ESPECÍFICA DE 
CRESCIMENTO SERÁ IGUAL À TAXA DE DILUIÇÃO 
BALANÇO DE SUBSTRATO (REGIME CONTÍNUO) 
SUB. ENTRANDO – SUB.SAINDO – SUB. CONSUMIDO = ACÚMULO DE SUB. 
EM REGIME ESTACIONÁRIO: dS / dt = 0 
COMO m = D 
EM CONDIÇÕES DE TEMPERATURA, pH e O2 CONSTANTES, E EXCESSO DE 
TODOS OS OUTROS NUTRIENTES: 
 
•YX/S INDEPENDE DE m E D 
•X INDEPENDE DE TODOS OS NUTRIENTES, EXCETO O LIMITANTE 
•YX/S É AFETADO SOMENTE PELO TIPO DE SUBSTRATO 
LEMBRANDO: m = D 
(EQUAÇÃO DE MONOD) 
ENTÃO, PARA UM QUIMIOSTATO EM REGIME PERMANENTE: 
Dc: TAXA DE DILUIÇÃO CRÍTICA (MÁXIMA DILUIÇÃO EM QUE O 
 QUIMIOSTATO PODE OPERAR) Dc = mmax 
E SUBSTITUINDO: 
COMPORTAMENTO TEÓRICO DE UM QUIMIOSTATO 
(VARIAÇÕES DA TAXA DE DILUIÇÃO EM FUNÇÃO DE X, S e P) 
WASHOUT: 
O PONTO ONDE A CONCENTRAÇÃO DE CÉLULAS ATINGIRÁ O VALOR 
ZERO, EM REGIME PERMANENTE, DEVIDO À TAXA DE ALIMENTAÇÃO SER 
SUPERIOR À TAXA DE REPRODUÇÃO DO MICRORGANISMO