bioprocessos aula 1

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Triciana Gonçalves da Silva 
 
 
 
 
 
 
goncalves.triciana@gmail.com 
 
triciana.silva@uva.br 
 
BIOPROCESSOS 
 
 
 
Aplicação industrial de reações ou vias biológicas mediadas por células vivas e inteiras de 
animais, microrganismos, plantas ou enzimas isoladas sobre condições controladas para a 
biotransformação de matérias primas em produtos. 
BIOPROCESSOS 
 
 
 
Aplicação industrial de reações ou vias biológicas mediadas por células vivas e inteiras de 
animais, microrganismos, plantas ou enzimas isoladas sobre condições controladas para a 
biotransformação de matérias primas em produtos. 
Bioprocesso também pode ocorrer sem resultar em um produto direto – 
biorremediação: processo pelo qual organismos vivos (microrganismos, 
fungos, plantas, algas verdes) ou suas enzimas são utilizados para reduzir ou 
remover - remediar - contaminações no ambiente. 
Matéria prima 
Matéria prima 
Transformação 
mediada por 
agentes biológicos 
Matéria prima 
Transformação 
mediada por 
agentes biológicos 
Purificação e/ou 
isolamento do 
produto de interesse 
Aplicação dos bioprocessos 
Produção de biocombustíveis 
Aplicação dos bioprocessos 
Produção de biofármacos 
Aplicação dos bioprocessos 
Produção de vacinas 
Aplicação dos bioprocessos 
Produção de anticorpos monoclonais 
Aplicação dos bioprocessos 
Indústria alimentícia 
Aplicação dos bioprocessos 
Transgênicos 
Aplicação dos bioprocessos 
Agroindústria 
Aplicação dos bioprocessos 
Biorremediação 
Etapas fundamentais do processo produtivo 
A aplicação dos bioprocessos, seja em qualquer área, está organizada em 3 etapas 
principais: 
 
 
 Processos upstream 
 
 Transformação 
 
 Processos downstream 
 
 
 
Etapas fundamentais do processo produtivo 
Determinação e preparo das condições 
ambientais ideais para o processo 
Escolha da matéria prima Seleção do microrganismo Preparo do inócuo 
Etapas Upstream 
Etapas fundamentais do processo produtivo 
Determinação e preparo das condições 
ambientais ideais para o processo 
Biorreatores e biorreação 
Escolha da matéria prima Seleção do microrganismo Preparo do inócuo 
Etapas Upstream 
Etapas fundamentais do processo produtivo 
Determinação e preparo das condições 
ambientais ideais para o processo 
Estratégia de recuperação do produto Tratamento dos resíduos 
Escolha da matéria prima Seleção do microrganismo Preparo do inócuo 
Etapas Upstream 
Etapas Downstream 
Biorreatores e biorreação 
Etapas fundamentais do processo produtivo 
Etapas upstream 
* Seleção do agente biológico 
 
 Mais difundidos: bactérias e fungos 
 
• Características desejadas (agente biológico ideal): 
 - não ser patogênico 
 
 - capaz de converter rapidamente o substrato em produto com altos 
rendimentos, conduzindo a altos valores de produtividade 
 
 - permitir o acúmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada 
concentração do produto no meio de cultura 
 sem sofrer inibição em virtude deste acúmulo 
 
 - não produzir substâncias incompatíveis com o produto 
 sem produzir proteases extracelulares 
 
Etapas upstream 
 - apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico 
 Para a célula há sempre a tendência de otimizar o crescimento, em 
detrimento da síntese do produto, motivo pelo qual não basta verificar se a célula 
cresce, mas se ela continua a acumular o produto de maneira eficaz. Além disso, 
durante a proliferação da célula há sempre chances de mutações naturais 
 
 - estabilidade sob condições ambientais extremas (elevada pressão osmótica 
do meio, elevada temperatura, elevada força iônica) 
 
 - ser tolerante e resistente a substâncias tóxicas, que podem ser geradas 
no processo de tratamento da matéria-prima ou encontradas em resíduos e 
efluentes 
 
 - atenção especial à escolha de acordo com a “maquinaria bioquímica” da 
espécie selecionada 
 procariotos X eucariotos 
 
Etapas upstream 
 - não exigir meio de cultura dispendioso 
 atender às necessidades nutricionais das células 
 auxiliar no controle do processo, como é o caso de ser ligeiramente 
tamponado, o que evita variações drásticas do pH, ou evitar uma excessiva formação 
de espuma 
 não provocar problemas na recuperação do produto 
 os componentes devem permitir algum tempo de armazenagem, a fim 
de estarem disponíveis o tempo todo 
 não causar dificuldades no tratamento final do efluente 
Etapas upstream 
* Preparo da matéria prima ou substrato a ser processado 
 
* Preparação de meio e sua esterilização 
 
* Alimentação do biorreator 
 
* Regulação de temperatura, pH e pressão 
 
* Inoculação da cultura no meio assepticamente 
Etapa de biorreação 
A etapa de biorreação é a transformação propriamente dita da matéria prima no 
produto de interesse mediado por agentes biológicos. 
 
Essa etapa se processa em pequena, média ou larga escala em um ambiente 
confinado e passível de controle das condições ambientais conhecidos com 
BIORREATORES. 
 
Etapa de biorreação 
Etapa de biorreação 
Dependendo da sua dimensão e do objetivo da sua utilização, os biorreatores podem 
ser à escala laboratorial, escala piloto ou escala industrial: 
 
- Frascos agitados (erlenmeyers): 100 – 1000 ml 
- Biorreatores de bancada: 1 – 30L 
- Biorreatores piloto: 100 – 1000L 
- Biorreatores industriais: 1000 – 1000000L 
Etapa de biorreação 
* Sistema não asséptico – onde não é absolutamente necessário se operar com culturas 
inteiramente em condições estéreis 
Etapa de biorreação 
* Sistema asséptico – as condições de esterilidade são pré-requisitos para formação do 
produto com sucesso 
Etapa de biorreação 
De acordo com a presença de oxigênio os biorreatores podem ser classificado em: 
 
Aeróbio – as reações biológicas ocorrem na presença de oxigênio; 
 
Anóxico – as reações biológicas ocorrem apenas na presença de oxigênio combinado, 
como por exemplo NO3 
 
Anaeróbio – as reações biológicas ocorrem na ausência total de oxigênio 
 
Sendo possível também controlar variáveis ambientais, como: 
-temperatura; 
- pH; 
- agitação; 
- arejamento 
- disponibilidade de substrato 
Etapa de biorreação 
A função primária de um biorreator é fornecer condições ambientais adequadas ao 
crescimento dos microrganismos e para isso, este 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 
 
-As exigências metabólicas dos microrganismos, quanto a aeração e agitação, devem ser 
plenamente satisfeitas, mantendo porém a integridade física destes 
 
- Controle eficiente de temperatura, pH e de gases 
 
- Um sistema de tomada de amostras à prova de contaminação do conteúdo do biorreator 
deve ser parte integrante do equipamento 
 
- O reator deve ter as superfícies internas polidas e todas as suas conexões, na medida do 
possível, devem ser soldadas e não rosqueadas 
 
Etapa de biorreação 
Vantagens 
 
• Alta produtividade e eficiência do 
processo 
• Melhor controle das condições de cultura 
• Suprimento ótimo de nutriente 
• Automação do processo 
• Mudança e adequação do meio. 
 
Desvantagens 
 
• Risco de contaminação microbiana• Resistência de algumas espécies 
 
Etapas downstream 
* Etapa final do processo produtivo no qual há a recuperação dos produtos gerados. 
 
A escolha das metodologias empregadas para recuperação/ purificação e isolamento do 
produto de interesse depende, principalmente, de: 
 
 - Finalidade do uso do produto: alimentos, medicamentos, diagnóstico,... 
 grau de pureza 
 
 - localização do produto: intracelular ou secretado 
 
 - natureza da molécula alvo: o meio de cultura contém elevada proporção de água, 
moléculas orgânicas e inorgânicas, além de metabólitos celulares que podem interagir 
com o produto desejado 
 
 
Etapas downstream 
Estratégia de biosseparação comumente empregada: 
 
 
1. Remoção de material insolúvel (particulado). Operações comuns: filtração, 
centrifugação, decantação ou sedimentação. 
 
2. Isolamento primário. Durante esta etapa a concentração de produto aumenta 
consideravelmente e substâncias com diferentes polaridades são separadas do 
produto. Operações típicas: extração por solvente, precipitação e ultrafiltração. 
 
3. Purificação. Destina-se à remoção de impurezas como também concentração 
de produto. Exemplos são: a precipitação fracionada e muitos tipos de 
cromatografia líquida de alto desempenho. 
 
4. Isolamento final do produto ou polimento: Esta última etapa deve fornecer o 
produto desejado em uma forma adequada para formulação final ou comercialização 
direta. As operações aqui incluem: centrifugação e subseqüente secagem de 
um produto cristalizado (liofilizado ou seco por spray drying). 
Meio de cultivo com células ou 
microrganismo em suspensão 
Clarificação (separação células/meio) 
Produtos intracelulares Produtos extracelulares 
Rompimento celular 
Remoção fragmentos 
celulares 
Fase sólida Sobrenadante 
Separação concentração de 
moléculas 
Purificação 
Tratamentos 
finais 
Etapas downstream 
* Tratamento de efluentes 
 
- Tratamento primário: remoção dos contaminantes mais facilmente separáveis 
(partículas com tamanho superior a 100 µm). Operações típicas: 
gradeamento; desarenamento e desengorduramento. 
 
-Tratamento secundário: remoção de partículas sedimentáveis, partículas suspensas 
menores e material solúvel, em sua maioria orgânicos. Realizada biologicamente 
por uma grande variedade de microrganismos, que agem muitas vezes de forma 
sinérgica. Esses microrganismos são usados para converter matéria orgânica em 
biomassa. Pelo fato de a biomassa possuir densidade ligeiramente superior a da 
água, sua sedimentação é possível, permitindo a sua separação do material líquido 
tratado. 
 
- Tratamento terciário: remoção de todos ou alguns contaminantes 
remanescentes. Esta etapa é muitas vezes necessária para enquadrar o efluente 
final às condições de qualidade exigidas para o lançamento e disposição final no 
ambiente, seja qual for o corpo receptor. 
Representação esquemática de um bioprocesso industrial genérico