Apostila Bioengenharia UFRGS RosaneRech

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS 
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS 
 
 
 
 
 
ITA02003 
BIOENGENHARIA PARA ENGENHARIA QUÍMICA 
- POLÍGRAFO - 
 
Profa Rosane Rech 
 
 
 
 
 
 
 
 
Semestre 2006/2 
ITA02003 – Bioengenharia para Engenharia Química Profa. Rosane Rech 
Semestre 2006/2 2 
 
 
Índice 
1 Introdução à Engenharia de Bioprocessos................................................................................................7 
1.1 Definições.........................................................................................................................................7 
1.2 Histórico do desenvolvimento dos bioprocessos..............................................................................7 
1.3 Produtos provenientes de processos biotecnológicos ......................................................................8 
1.4 Processos fermentativos industriais................................................................................................10 
2 Microbiologia .........................................................................................................................................12 
2.1 Distribuição dos organismos vivos.................................................................................................12 
2.2 Morfologia e estrutura ....................................................................................................................13 
2.2.1 Bactérias (procariotos)............................................................................................................13 
2.2.2 Fungos ....................................................................................................................................14 
2.3 Nutrição microbiana .......................................................................................................................15 
2.3.1 Considerações gerais ..............................................................................................................15 
2.3.2 Requisitos Nutricionais...........................................................................................................15 
2.3.2.1 Fontes de material plástico .................................................................................................15 
2.3.2.2 Água ...................................................................................................................................16 
2.3.2.3 Oxigênio .............................................................................................................................16 
2.4 Fatores físico-químicos...................................................................................................................17 
2.4.1 Temperatura............................................................................................................................17 
2.4.2 pH ...........................................................................................................................................18 
2.4.3 Pressão Osmótica....................................................................................................................18 
2.5 Meios de Cultura ............................................................................................................................18 
2.6 Microrganismos e meios de cultura para utilização industrial .......................................................19 
3 Biorreatores e Processos Fermentativos .................................................................................................20 
3.1 Classificação dos biorreatores ........................................................................................................20 
3.2 Formas de condução de um processo fermentativo:.......................................................................21 
4 Cultivo Descontínuo...............................................................................................................................22 
4.1 Inóculo............................................................................................................................................22 
4.2 Meio de cultura...............................................................................................................................22 
4.3 Cinética de um cultivo em batelada................................................................................................23 
4.3.1 Cinética de crescimento celular ..............................................................................................24 
4.3.2 Equação de Monod: interpretação da fase exponencial de crescimento.................................25 
4.3.3 Cinética de formação de produto............................................................................................27 
4.3.4 Cinética de consumo de substrato pela célula ........................................................................27 
4.4 Cálculo do número de biorreatores descontínuos...........................................................................29 
5 Cultivo Contínuo ....................................................................................................................................31 
5.1 Formas de operação do sistema contínuo .......................................................................................31 
6 Cultivo Semi-contínuo............................................................................................................................33 
6.1 Produtividade de um processo semi-contínuo ................................................................................33 
7 Cultivo em Regime Batelada Alimentada ..............................................................................................34 
8 Reatores com células imobilizadas.........................................................................................................38 
8.1 Métodos de imobilização celular ....................................................................................................38 
8.1.1 Imobilização sobre a superfície de um suporte sólido............................................................38 
8.1.2 Envolvimento em uma matriz porosa: ....................................................................................39 
8.1.3 Floculação celular (agregação) ...............................................................................................40 
8.1.4 Contenção mecânica atrás de uma barreira.............................................................................40 
8.2 Características e vantagens da imobilização celular.......................................................................40 
8.3 Exemplos de usos de células imobilizadas .....................................................................................41 
9 Biorreatores com membranas .................................................................................................................44 
10 Cultivo Semi-Sólido ...........................................................................................................................47 
10.1 Microrganismos normalmente utilizados: ......................................................................................47 
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10.2 Substratos: características e composição: .......................................................................................47 
10.3 Biorreatores para CSS ....................................................................................................................48 
10.4 Controle de processo em CSS ........................................................................................................49 
10.4.1Teor de umidade .....................................................................................................................49 
10.4.2 Atividade de água: ..................................................................................................................49 
10.4.3 Temperatura............................................................................................................................49 
10.4.4 pH ...........................................................................................................................................50 
10.4.5 Aeração:..................................................................................................................................50 
10.4.6 Agitação..................................................................................................................................51 
10.4.7 Estimativa de crescimento ......................................................................................................51 
10.4.8 Extração dos produtos ............................................................................................................51 
11 Agitação e aeração em biorreatores....................................................................................................52 
11.1 Transferência de oxigênio da bolha de gás para a célula................................................................52 
11.2 Método dinâmico para o cálculo do kLa ........................................................................................53 
11.3 Respiração microbiana ...................................................................................................................54 
11.4 Análise conjunta da transferência e do consumo do oxigênio........................................................55 
11.5 Sistemas para a transferência de oxigênio ......................................................................................56 
11.6 Transferência de oxigênio em meios agitados e aerados................................................................57 
11.6.1 Agitação de líquidos newtonianos..........................................................................................57 
11.6.2 Agitação de líquidos newtonianos submetidos à aeração.......................................................59 
11.6.3 Transferência de oxigênio ......................................................................................................60 
12 Escalonamento de biorreatores ...........................................................................................................62 
12.1 Critérios para ampliação de escala .................................................................................................63 
12.2 Comparações entre os critérios de ampliação de escala .................................................................63 
13 Esterilização .......................................................................................................................................64 
13.1 Modos de atuação dos agentes esterilizantes..................................................................................64 
13.2 Esterilização de equipamentos e meios de cultivo por calor úmido ...............................................66 
13.2.1 Cinética de morte celular ........................................................................................................66 
13.2.2 Esterilização em batelada de meios de cultivo .......................................................................66 
13.2.3 Esterilização contínua de meios de cultivo.............................................................................68 
14 Bibliografia.........................................................................................................................................70 
14.1 Livros..............................................................................................................................................70 
14.2 Artigos Científicos..........................................................................................................................70 
 
 
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Lista de Figuras 
Figura 1.1: Passos no desenvolvimento de um processo biotecnológico (Doran, 1997). .............................10 
Figura 1.2: Fluxograma de um processo fermentativo (Fonte: Schmidell et al., 2001)................................11 
Figura 2.1: Distribuição dos microrganismos conforme a proposta de R. H. Wittaker em 1969 (Fonte: 
Borzani et al., 2001). ..............................................................................................................................12 
Figura 2.2: Distribuição dos microrganismos conforme a proposta de C. Woese em 1979 (Fonte: Borzani et 
al., 2001).................................................................................................................................................12 
Figura 2.3: Representação esquemática de uma bactéria (Fonte: Lehninger, 1997)....................................13 
Figura 2.4: Diferentes tipos de bactérias. ......................................................................................................14 
Figura 2.5: Esquema de células eucarióticas (a) animal e (b) vegetal (Fonte: Borzani et al., 2001). ...........14 
Figura 2.6: Classificação dos microrganismos quanto à sua temperatura ótima de crescimento..................17 
Figura 2.7: Efeito da temperatura nas reações enzimáticas conduzidas na célula. .......................................17 
Figura 3.1: Configurações de biorreatores (a) STR; (b) coluna de bolhas; (c) air-lift; (d) plug-flow; (e) com 
células imobilizadas (leito fixo); (f) com células imobilizadas (leito fluidizado); (g) reator com 
membranas planas; (h) hollow-fiber (Fonte: Schmidell et al., 2001). ....................................................21 
Figura 4.1: Representação esquemática do preparo do inóculo (Fonte: Schmidell et al., 2001) ..................23 
Figura 4.2: Curvas de ajuste dos resultados de uma determinada fermentação. ...........................................24 
Figura 4.3: Curva de crescimento em reator batelada (Fonte: Doran, 1995). ...............................................24 
Figura 4.4: Curvas da equação de Monod para valores hipotéticos de µmáx = 0,14h-1 e KS = 0,60mg.L-1 
(Curva A) e KS = 0,030mg.L-1 (Curva B). ..............................................................................................25 
Figura 4.5: Cinética de inibição pelo substrato (Curva A) e sem inibição (Curva B), conforme a equação de 
Monod para µmáx = 0,14 h-1.....................................................................................................................27 
Figura 4.6: Representação esquemática da formação de produtos: a) formação de produto associada ao 
crescimento celular; b) formação de produto resultante de metabolismo secundário; c) produto formado 
na fase estacionária de crescimento........................................................................................................28 
Figura 4.7: Resumo das principais rotas metabólicas. ..................................................................................29 
Figura 4.8: Cronograma de funcionamento de biorreatores em um processo descontínuo. (1) início do 
preparo do biorreator; (2) fim da carga; (3) fim do cultivo; (4) fim da descarga (Fonte: Schmidell et al., 
2001).......................................................................................................................................................30 
Figura 4.9: Cronograma de funcionamento dos biorreatores número 1 e número D em um processo 
descontínuo. (1) início do preparo do biorreator; (2) fim da carga; (3) fim do cultivo; (4) fim da 
descarga (Fonte: Schmidell et al., 2001). ...............................................................................................30Figura 5.1: Variação da concentração celular (X) e da concentração de substrato (S) na corrente de saída, e 
da produtividade celular (QX) com a taxa de diluição em um cultivo contínuo, com µmáx = 0,8h-1, S0 = 
40g/L, YX/S = 0,45 e KS = 1g/L. ...............................................................................................................31 
Figura 5.2: Variação da concentração celular (X) e da concentração de substrato (S) na corrente de saída, e 
da produtividade celular (QX) com a taxa de diluição em um cultivo contínuo, com µmáx = 0,8h-1, S0 = 
40g/L, YX/S = 0,45 e KS = 1g/L em um sistema com reciclo interno onde a fração de meio que sai 
diretamente do biorreator é 0,2 e o fator de diluição do meio filtrado é 0,1. .........................................32 
Figura 6.1: influência de α sobre a produtividade de um processo semi-contínuo (Fonte: Schmidell et al., 
2001).......................................................................................................................................................33 
Figura 7.1: Gráficos da variação da vazão de alimentação, F, do volume, V, da taxa de diluição, D, da 
velocidade específica de crescimento e da concentração da biomassa, X em cultivos em regime batelada-
alimentada com vazão de alimentação constante, linear crescente e exponencial..................................35 
Figura 7.2: Biomassa e produção de ergosterol para diferentes métodos de controle de alimentação em 
cultivos batelada alimentada (Fonte: Gao & Tan, 2003). .......................................................................36 
Figura 8.1: Desenho esquemático dos métodos básicos de imobilização celular (Fonte: Kourkoutas et al., 
2004).......................................................................................................................................................39 
Figura 8.2: Imobilização de células por envolvimento em gel hidrofílico induzida por Ca++ e K+. .............40 
Figura 8.3: Produção de lipase com células imobilizadas e células livres (Fonte: Ellaiah et al., 2004). ......41 
Figura 8.4: Cinética de um cultivo semicontínuo de células de Z. mobilis e S. diastaticus co-imobilizadas em 
alginato de sódio (Fonte: Amutha & Gunasekaran, 2001). ....................................................................41 
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Figura 8.5: Produtividade de um cultivo semicontínuo de células de Z. mobilis e S. diastaticus co-
imobilizadas em alginato de sódio (b) Produtividade de um cultivo contínuo de células de Z. mobilis e S. 
diastaticus co-imobilizadas em alginato de sódio em biorreator PBR com 60mL de volume de trabalho 
(Fonte: Amutha & Gunasekaran, 2001). ................................................................................................42 
Figura 8.6: Biomassa e atividade de bacteriocina em um biorreator contínuo com células livres (Fonte: 
Bhugaloo-Vial et al., 1997). ...................................................................................................................42 
Figura 8.7: Produtividade de bacteriocina com a taxa de diluição (a) em um biorreator contínuo com células 
livres e (b) em biorreator contínuo PBR com células imobilizadas em alginato de sódio (Fonte: 
Bhugaloo-Vial et al., 1997). ...................................................................................................................42 
Figura 8.8: Produção de etanol, evolução de CO2 e consumo de glicose por células de S. cerevisiae 
imobilizadas (símbolo cheio) e livres (símbolo aberto) (Fonte: Wendhausen et al., 2001). ..................43 
Figura 8.9: Produtividade (símbolo cheio) e concentração de etanol (símbolo aberto) em células de S. 
cerevisiae imobilizadas em função da taxa de diluição e em função do tempo em um bioreator de leito 
empacotado alimentado com 33% de caldo de cana (180 g/L de sacarose) a 30oC (Fonte: Wendhausen et 
al., 2001).................................................................................................................................................43 
Figura 9.1: Configurações de MBRs: (a) membrana submersa, (b) circulação externa (Fonte: Melin et al., 
2006).......................................................................................................................................................44 
Figura 10.1: Influência do tamanho das partículas na velocidade de fermentação de açúcar de beterraba por 
Zymomonas mobilis para produção de etanol. (Fonte: Schmidell et al., 2001) ......................................48 
Figura 10.2: Reatores para cultivo semi-sólido industrial (a) tanques circulares; (b) esteira rolante; (c) reator 
tubular com agitação interna. (Fonte: Schmidell et al., 2001)................................................................48 
Figura 10.3: Influência do teor de umidade sobre o crescimento de Aspergillus niger. ( Schmidell et al., 
2001).......................................................................................................................................................49 
Figura 10.4: Relação entre a atividade de água e as reações de deterioração dos alimentos. .......................50 
Figura 10.5: Influência da temperatura sobre o crescimento de Aspergillus niger. (Schmidell et al., 2001)..50
Figura 11.1: Variação da concentração de oxigênio dissolvido em água com a temperatura. ......................52 
Figura 11.2: Etapas da transferência de oxigênio da bolha de ar para a célula (Doran, 1995. p. 200). ........53 
Figura 11.3: Representação esquemática da variação de
2O
Q com a concentração de O2 dissolvido...........54 
Figura 11.4: Curva de variação de concentração de oxigênio dissolvido para cálculo de kLa e qO2 conforme o 
método dinâmico. Fonte: Ayub, 1991, p. 60. .........................................................................................56 
Figura 11.5: Sistemas diversos de transferência de oxigênio em biorreatores..............................................57 
Figura 11.6: esquema de um biorreator agitado com turbinas de pás planas. ...............................................58 
Figura 11.7: número de potência ρ53 iP DN
PN = em função do número de Reynolds µ
ρ2
Re
iNDN = para 
impelidor tipo hélice e Rushton. .............................................................................................................59 
Figura 11.8: Pg/P em função do número de aeração 3
i
A ND
QN = para um sistema de agitação com duas 
turbinas Rushton. ....................................................................................................................................60 
Figura 12.1: Etapas do desenvolvimento de um processo produtivo, com as fases de obtenção de dados e 
instantes principais de tomadas de decisão.............................................................................................62 
Figura 13.1:Perfil típico de temperatura do meio de cultivo e evolução da morte celular em uma 
esterilização em batelada (Fonte: Doran, 1997). ....................................................................................67 
Figura 13.2: Curvas de aquecimento e resfriamento em uma esterilização em batelada. .............................68 
Figura 13.3: Equipamentos para esterilização contínua: (a) injeção direta de vapor com resfriamento flash; 
(b) transferência de calor utilizando trocadores de calor........................................................................68 
Figura 13.4: Curvas de aquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento durante uma esterilização 
contínua: (a) injeção direta de vapor com resfriamento flash; (b) transferência de calor utilizando 
trocadores de calor..................................................................................................................................69 
Figura13.5: Trocador de calor de placas (Fonte: Dairy Processing Handbook, 1995). ...............................69 
Figura 13.6: Trocador de calor tubular (Fonte: Dairy Processing Handbook, 1995)....................................69 
Lista de Tabelas 
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Tabela 1.1: Estágios do desenvolvimento cronológico dos processos biotecnológicos..................................7 
Tabela 1.2: Principais produtos provenientes de processos biotecnológicos ..................................................8 
Tabela 3.1: Classificação geral dos biorreatores. ..........................................................................................20 
Tabela 4.1: valores de KS para diferentes microrganismos............................................................................26 
Tabela 4.2: Exemplos de produtos conforme sua associação com o metabolismo energético......................28 
Tabela 4.3: Coeficiente de manutenção de diversos microrganismos em glicose como fonte de carbono. ..28 
Tabela 9.1: Comparação das características dos diferentes módulos de membranas utilizados em MBRs. ...45
Tabela 11.1: Valores de concentração crítica de oxigênio para alguns microrganismos ..............................55 
Tabela 11.2: Coeficientes α e β da equação 11.22 conforme a escala de trabalho. ......................................61 
Tabela 12.1: Variação da freqüência de rotação (N) numa ampliação de escala...........................................63 
Tabela 12.2: Relação entre variáveis em uma ampliação de escala (V1 = 60L; V2 = 7,5m3) .........................63 
 
 
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1 Introdução à Engenharia de Bioprocessos 
1.1 Definições 
“Biochemical engineering is concerned with conducting biological processes on an industrial scale, 
provinding the links between biology and chemical engineering. (...) The heart of biochemical engineering 
lies on the scale up and management of cellular processes.” Aiba, Humphrey, Millis Biochemical 
Engineering (1973). 
 “Processing of biological materials and processing using biological agents such cells, enzymes or 
antibodies are the central domain of biological engineering. Sucess in biochemical engineering requires 
integrated knowledge of governig biological properties and principles and of chemical engineering 
methodology and strategy. (...) Reaching this objective clearly requires years of careful study and practice.” 
Bailey, Ollis Biochemical Engineering Fundamentals (1986). 
1.2 Histórico do desenvolvimento dos bioprocessos 
É interessante notar como se deu o desenvolvimento da biotecnologia ao longo dos anos. 
Cronologicamente ele pode ser dividido em 5 fases. Na Tabela 1.1 mostram-se algumas características dos 
processos fermentativos em cada uma destas fases. 
 
Tabela 1.1: Estágios do desenvolvimento cronológico dos processos biotecnológicos 
ESTÁGIO PRODUTOS EQUIPAMENTO CONTROLE DE 
PROCESSO 
MÉTODO DE CULTURA CONTROLE DE 
QUALIDADE 
PLANTA 
PILOTO 
SELEÇÃO DE CEPA 
1 
até 1900 
álcool 
vinagre 
vaso de madeira 
vaso de cobre 
barris 
filtros gotejantes 
termômetros 
hidrômetros 
trocador de calor 
batelada nenhum não cultura de fermento 
puro 
inoculação com bons 
vinagres 
2 
1900-1940 
fermento de 
Baker 
glicerol 
ácido cítrico 
ácido lático 
acetona 
butanol 
vaso de aço 
agitador mecânico 
aerador 
sensor de pH 
controle de temperatura 
batelada 
batelada alimentada 
nenhum não cultura pura 
3 
1940-hoje 
penicilina 
estreptomicina 
aminoácidos 
enzimas 
vasos aerados 
operação asséptica 
eletrodos esterilizados 
de pH e oxigênio 
batelada 
batelada alimentada 
contínuo 
muito importante sim mutação 
programa de seleção 
4 
1960-hoje 
proteínas (SCP) vasos com jatos de 
pressão e ciclos de 
pressão 
uso de computador cultura contínua com 
reciclo 
muito importante muito 
importante 
produção de cepas 
através da 
Engenharia genética 
5 
1970-hoje 
insulina 
interferon 
 batelada 
batelada alimentada 
contínuo 
muito importante muito 
importante 
tecnologia do DNA-
recombinante 
6 
1980-hoje 
kits de diagnose reatores especias 
para cultura de 
células de 
mamíferos 
 batelada 
contínuo 
muito importante 
 
 
A primeira fase durou até 1900. Nessa época apenas dois produtos eram fabricados em grande 
escala: o vinagre e o álcool (incluindo as bebidas alcoólicas). A operação se dava em reator batelada 
utilizando-se cepas de culturas puras. 
A segunda fase abrange o período de 1900 a 1940. Fabricava-se um número maior de produtos. Os 
fermentadores eram equipados com agitadores mecânicos e passou a ser feita a aeração do meio. O controle 
do processo era feito através da monitoração fora de linha do pH e da temperatura. O biorreator batelada 
alimentada passou a ser utilizado. 
A terceira fase começou em 1940 e vai até os dias de hoje. Aos produtos que já eram fabricados 
acrescentou-se os antibióticos, os aminoácidos, as enzimas, etc. A assepsia dos equipamentos e do meio de 
cultura, o controle de pH, de O2 dissolvido e de temperatura tornaram-se prática comum. Com o avanço das 
técnicas de medição em linha, a tendência atual é a monitoração e o controle do processo utilizando-se o 
computador. Alguns processos passaram a ser realizados em operação contínua. O controle de qualidade 
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passou a ser importante e começou-se a empregar plantas piloto. Técnicas de mutação e programas de 
seleção passaram a ser essenciais no desenvolvimento de novos processos. 
A quarta fase começou em 1960 com a aplicação de técnicas de engenharia genética para produzir 
cepas mais eficientes. A produção de SCP (single cell protein) a partir de hidrocarbonetos constitui-se na 
principal aplicação desta fase. Devido aos problemas de transferência de calor e massa apresentados por este 
processo, tem-se utilizado fermentadores tipo air lift no processamento. 
A quinta fase começou em 1970 com a aplicação da tecnologia do DNA-recombinante. Esta técnica 
de engenharia genética tem propiciado a alteração de microrganismos de modo que estes produzam 
substâncias que não são produzidos naturalmente por eles. A aplicação desta técnica já obteve como 
resultado prático a produção em escala comercial de insulina e interferon por microrganismos. 
A sexta fase data do início dos anos 80. Ela baseia-se principalmente em aplicações médicas, 
notadamente em diagnóstico de doenças de origem virótica tais como AIDS, rubéola, hepatite, etc. e 
monitoração de níveis de compostos importantes tais como colesterol, glicose, uréia, etc.. A principal linha 
de aplicação é a técnica de hibridoma na produção de anticorpos monoclonais (monoclonal antibodies). 
 
1.3 Produtos provenientes de processos biotecnológicos 
 
Tabela 1.2: Principais produtos provenientes de processos biotecnológicos 
Produtos de fermentação Organismo típico utilizado Mercado 
mundial 
(kg/ano) 
Solventes orgânicos 
Etanol Saccharomyces cerevisiae 2 × 1010
Acetona/butanol Clostridium acetobutylicum 2 × 106 (butanol) 
Biomassa 
Culturas starter Bactérias láticas e leveduras 5 × 108
Single-cell protein Pseudomonas methylotrophus ou Candida utilis 0,5-1 × 108
Ácidos orgânicos 
Ácido cítrico Aspergillus niger 2-3 × 108
Ácido glucônico Aspergillus niger 5 × 107
Ácido lático Lactobacillus delbrueckii 2 × 107
Ácido itacônico Aspergillues itaconicus 
Amino-ácidos 
Ácido L-glutâmico Corynebacterium glutamicum 3 × 108
L-lisina Brevibacterium flavum 3 × 107
L-fenilalanina Corynebacterium glutamicum 2 × 106
L-arginina Brevibacterium flavum 2 × 106
outrosCorynebacterium spp. 1 × 106
Trasnformações microbianas 
Esteróides Rhizopus arrhizus 
D-sorbitol para L-sorbose (na produção de vitamina C) Acetobacter suboxydans 4 × 107
Antibióticos 
Penicilinas Penicillium chrysogenum 3-4 × 107
Cefalosporina Cephalosporium acremonium 1 × 107
Tetraciclina Streptomyces aureofaciens 1 × 107
Antibióticos (ex: eritromicina) Streptomyces erythreus 2 × 106
Antibióticos polipeptídicos (ex: gramicidina) Bacillus brevis 1 × 106
Antibióticos aminoglicosidados (ex: estreptomicina) Streptomyces griseus 
Antibióticos aromáticos (ex: griseofulvina) Penicillium griseofulvum 
Polissacarídeos extracelulares 
Goma xantana Xanthomonas campestris 5 × 106
Dextrana Leuconostoc mesenteroides Pequeno 
Nucleotídeos 
5´-guanosina monophosphate Brevibacterium ammoniagenes 1 × 105
Enzimas 
Proteases Bacillus spp. 6 × 105
α-amilase Bacillus amyloliquefaciens 4 × 105
Glucoamilase Aspergillus niger 4 × 105
Glicose isomerase Bacillus coagulans 4 × 105
Pectinase Aspergillus niger 1 × 104
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Renina Mucor miehei ou leveduras recombinantes 1 × 104
Outras 5 × 104
Vitaminas 
B12 Propionibacterium shermanii ou Pseudomonas denitrificans 1 × 104
Riboflavina Ieremothecium ashbyii 
Pigmentos 
β-caroteno Blakeslea trispora 
Vacinas < 50 
Difteria Corynebacterium diphtheriae 
Tétano Clostridium tetani 
Coqueluche Bordetella pertussis 
Poliomielite Vírus atenuados em células renais diplóides humanas ou de macacos 
Rubéola Vírus atenuados em células renais de hamsters recém-nascidos 
Hepatite B Anticorpo de superfície expressado em leveduras recombinantes 
Proteínas terapêuticas < 20 
Insulina Escherichia coli recombinante 
Hormônio de crescimento Escherichia 
 coli recombinante ou células recombinantes de mamíferos 
 
Eritropoitina células recombinantes de mamíferos 
Fator VIII-C células recombinantes de mamíferos 
Interferon-α2 Escherichia coli recombinante 
Anticorpos monoclonais Células de hibridinoma < 20 
Inseticidas 
Esporos de bactérias Bacillus thuringiensis 
Esporos de fungos Hirsutella thompsonii 
Fonte: Doran, 1997. 
 
Produtos a serem desenvolvidos em processos biotecnológicos: 
- drogas medicinais mais sofisticadas; 
- culturas de tecidos e órgãos humanos; 
- biochips para computadores; 
- pesticidas compatíveis com o meio-ambiente; 
- microrganismos degradadores de efluentes. 
 
Papel do engenheiro químico na engenharia de bioprocessos: 
- desenho e operação de biorreatores, esterilizadores e equipamentos para recuperação de produtos; 
- desenvolvimento de sistemas para automação e controle de processos; 
- projetos de indústrias de fermentação seguras e eficientes. 
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Figura 1.1: Passos no desenvolvimento de um processo biotecnológico (Doran, 1997). 
 
1.4 Processos fermentativos industriais 
O objetivo primordial da biotecnologia é a obtenção de produtos metabólicos úteis através do 
processamento biológico. Entende-se por processo biológico, todo sistema reacional envolvendo seres vivos. 
Dentre estes seres, destacam-se microrganismos tais como fungos, bactérias, algas, etc. Denominam-se 
processos fermentativos os processos biológicos que têm aplicação industrial. 
Em geral, um processo fermentativo compreende seis etapas, conforme ilustra a Figura 1.2. Estas 
etapas são: 
Formulação do meio de cultura: define-se a composição qualitativa e quantitativa do meio de 
cultura, o pH e a temperatura ideal de cultivo; 
Esterilização do meio de cultura e dos equipamentos - promove-se a assepsia de todo material que 
entrará em contato direto com os microrganismos. 
Desenvolvimento do inóculo. Produção de cultura pura em quantidade suficiente para inocular o 
biorreator - para operacionalizar o cultivo de microrganismos em escala industrial é necessário promover o 
cultivo destes microrganismos em uma série de vasos ou reatores em escala reduzida (pré-reatores), de modo 
a garantir o crescimento acelerado e a eliminação da fase de adaptação (lag). Além disto, é necessário 
garantir a qualidade do inóculo em todas as etapas de forma a garantir resultados consistentes. 
Promoção do crescimento da população de células no biorreator sob condições propícias para a 
formação do produto - nesta etapa aplicam-se todos os conhecimentos adquiridos no estudo da fisiologia do 
microrganismo de maneira a propiciar as condições mais favoráveis para o crescimento celular e a produção 
do metabólito desejado. 
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Extração e purificação do(s) produto(s) - Após a conversão biológica, o produto ou produtos 
precisam ser separados do meio de cultura e purificados em seguida. Muitos dos produtos do processamento 
biológico são quimicamente frágeis, devendo-se controlar cuidadosamente a temperatura e o pH da mistura e 
aplicar técnicas de separação que preservem a atividade biológica dos produtos. 
Tratamento dos efluentes - é recomendável o tratamento dos efluentes do processo biológico antes 
deles serem descartados. Muitas vezes, os efluentes constituem-se em produtos úteis, podendo-se aumentar a 
margem de lucro do processo através da utilização eficiente desses efluentes. 
 
Figura 1.2: Fluxograma de um processo fermentativo (Fonte: Schmidell et al., 2001) 
 
Em muitos processos uma ou mais destas etapas são desnecessárias ou diferentes. Por exemplo, a 
produção de etanol por Saccharomyces cerevisae no Brasil é feita sem a esterilização do meio e dos 
equipamentos. Já a produção de SCP (single cell protein) dá-se pela ação de uma mistura de microrganismos, 
sendo o preparo do inóculo diferente do mencionado acima e as próprias células são produto desejado. 
A eficiência do processo fermentativo pode ser aumentada através de programas de pesquisa e 
desenvolvimento atuando principalmente em três das etapas citadas acima: modificando o microrganismo 
através de técnicas de mutação e de engenharia genética, e selecionando variações de células mais 
produtivas, otimizando as condições do meio durante a reação e desenvolvendo estratégias de separação e 
purificação do produto. 
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2 Microbiologia 
2.1 Distribuição dos organismos vivos 
 
Figura 2.1: Distribuição dos microrganismos conforme a proposta de 
R. H. Wittaker em 1969 (Fonte: Borzani et al., 2001). 
 
 
Figura 2.2: Distribuição dos microrganismos conforme a proposta de 
C. Woese em 1979 (Fonte: Borzani et al., 2001). 
 
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A nomenclatura dos organismos vivos é binomial, sendo que o nome científico dado por uma 
combinação do nome genérico (gênero) seguido da espécie. O nome do gênero é iniciado com letra 
maiúscula mas o da espécie não. Ambos devem ser escritos em itálico ou grifado. Exemplo: 
espéciegênero
cerevisiaecesSaccharomy 
2.2 Morfologia e estrutura 
2.2.1 Bactérias (procariotos) 
As células bacterianas podem ter forma esférica (cocos), cilíndrica (bacilos) ou espiralada. Os 
cocos podem estar isolados (micrococos), em duplas (diplococos), formar correntes (estreptococos) ou 
formações aleatórias tipo cachos (estafilococos). Os bacilos podem apresenta-se isolados ou formar correntes 
(estreptobacilos). As bactérias espiraladas podem ter a forma de espiral (espirilos) ou de uma vírgula 
(vibriões). Seu tamanho varia entre 0,5 e 4,0µm para os cocos e em torno de 19,0µm para os bacilos. 
As principais estruturas bacterianas, mostradas na Figura 2.3, são: 
Membrana citoplasmática: de composição lipoprotéica, regula astrocas com o meio externo e 
executa processos respiratórios, fotossíntese, sustentação de ribossomos, orientação da divisão celular e 
biossíntese de estruturas de superfície. 
Parede celular: garante a forma celular e protege contra a diferença de pressão osmótica entre o 
interior da célula e o ambiente externo. 
 
Figura 2.3: Representação esquemática de uma bactéria (Fonte: Lehninger, 1997). 
 
Citoplasma: solubiliza sais minerais, aminoácidos, pequenas moléculas, proteínas e açúcares, e 
possui partículas em suspensão: ribossomos e grânulos de material de reserva (amido, glicogênio, lipídeos, 
fosfatos). 
Nucleóide: filamento duplo de DNA (cromossomo) não associado a proteínas e preso a uma 
invaginação da membrana plasmática (mesossomo). 
Flagelos: mobilidade celular. 
Fímbrias ou pili: fixação celular (formação de biofilmes). 
Algumas bactérias possuem a capacidade de formar esporos. Os esporos se constituem em uma 
célula em tamanho menor, com material nuclear e citoplasma condensado, baixo teor de água, maior 
quantidade de cálcio e presença do ácido dipicolínico. Além da membrana citoplasmática, o esporo possui 
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várias camadas de invólucro, possuindo um revestimento bastante espesso e com considerável resistência à 
agentes externos, sobretudo temperatura. 
A reprodução das bactérias se dá por divisão binária simples, gerando duas células filhas iguais. 
 
 
Escherichia coli 
 
Streptococcus pneumoniae Lactobacillus acidophilus 
 
Propionibacterium acne 
Figura 2.4: Diferentes tipos de bactérias. 
 
2.2.2 Fungos 
São organismos eucarióticos, heterotróficos. Podem ser divididos em leveduras (unicelulares) e 
bolores ou mofos. 
As leveduras possuem forma esférica, elíptica ou filamentosa, com 1 a 5µm de diâmetro a 5-30µm 
de comprimento. Bolores são constituídos por células multinucleadas que formas tubos denominados hifas. 
Um conjunto de hifas é denominado de micélio. 
A célula fúngica possui parede celular, membrana citoplasmática, e membrana nuclear, dentro da 
qual existem diversos cromossomos, nucléolo e histonas. O citoplasma possui vacúolos, mitocôndrias, 
retículo endoplasmático, ribossomos e material de reserva. 
A reprodução das leveduras pode ser assexuada, por brotamento ou divisão celular, ou sexuada, via 
formação de esporos. 
 
Figura 2.5: Esquema de células eucarióticas (a) animal e (b) vegetal (Fonte: Borzani et al., 2001). 
 
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2.3 Nutrição microbiana 
2.3.1 Considerações gerais 
Plantas: 
• Fotossintéticas: obtêm energia da luz solar 
• Auxotróficas: nutrem-se basicamente de substâncias inorgânicas 
Animais, fungos: 
• Quimiotróficos: obtêm energia através de reações químicas. 
• Heterotróficos: exigem fontes orgânicas de carbono. 
 
2.3.2 Requisitos Nutricionais 
Os microrganismos retiram do meio ambiente todas as substâncias necessárias para a síntese de 
material celular e de obtenção de energia. As necessidades nutricionais dos microrganismos variam muito. 
Organismos autotróficos podem sintetizar todos os metabólitos necessários pela célula a partir de compostos 
inorgânicos; os heterotróficos requerem um ou mais nutrientes orgânicos. Essas diferenças nutricionais 
refletem diferenças na habilidade de síntese dos microrganismos. A habilidade em usar diferentes compostos 
como fonte de energia e de sintetizar proteínas e compostos do citoplasma a partir de compostos inorgânicos 
depende da presença de uma série de enzimas, sem as quais as células tornam-se mais exigentes 
nutricionalmente. A formação dessas enzimas é diretamente controlada pela genética da célula. A falta ou a 
repressão de um ou mais genes que codificam a formação de uma destas enzimas reflete-se diretamente nas 
necessidades nutricionais da célula. 
Geralmente o cultivo de microrganismos para aplicação em biotecnologia é feito em ambiente 
controlado. A formulação do meio de cultura é essencial para a produção do metabólito desejado. O meio de 
cultura deve conter todas as substâncias que constituem o material celular. As principais substâncias são 
descritas à seguir. 
2.3.2.1 Fontes de material plástico 
O Carbono representa de 45 a 50% do peso seco celular. É o componente básico para a 
biossíntese, fazendo parte de todos os compostos sintetizados pela célula. Geralmente a mesma fonte de 
carbono serve como fonte de energia. As fontes de carbono mais comuns são os açucares e os glicídios 
(pentoses, hexoses, polissacarídeos). Outras fontes de carbono menos comuns abrangem uma ampla faixa de 
compostos, indo desde os mais simples como metano e metanol às mais complexas como celulose e 
hemicelulose. No entanto, a eficiência de assimilação destes compostos, do ponto de vista biotecnológico, é 
muito menor do que as fontes tradicionais e poucos microrganismos selvagens são capazes de assimilar tais 
compostos. 
O Nitrogênio consiste de 10 a 15% do peso seco das células. É o componente básico na formação 
de aminoácidos. É assimilado sob forma amoniacal. Fontes de nitrogênio em outras forma que não a 
amoniacal são primeiro transformadas em íons amônio sendo então utilizadas normalmente no metabolismo 
celular. Muitas substâncias servem como fonte de nitrogênio: 
i) Fontes inorgânicas de nitrogênio: NH4Cl, (NH4)2SO4 , NH4NO3, N2, etc. 
ii) Fontes orgânicas de nitrogênio: aminoácidos e hidrolisados de proteínas naturais, peptídeos, uréia, purinas 
e pirimidinas. 
Os íons inorgânicos dividem-se em macronutrientes e micronutrientes. Entre os primeiros estão o 
fósforo e o enxofre. O fósforo é assimilado somente na forma de di-hidrogênio fosfato (ortofosfato) H2PO4-. 
É importante na regulação do metabolismo celular e no fornecimento de fosfatos para a geração de energia. 
A concentração intracelular de PO43- regula a síntese de lipídeos e carboidratos. O enxofre representa 1 a 2% 
do peso seco celular e entra na constituição dos aminoácidos sulfurados metionina e cisteína. As fontes 
inorgânicas de enxofre são tipicamente K2SO4 ou mais comumente (NH4)2SO4. A formação de pontes de 
dissulfeto e é importante para a atividade de proteínas. O enxofre é encontrado em certas vitaminas tais como 
biotina e tiamina. 
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Os micronutrientes são necessários em concentrações da ordem de miligramas por litro de cultura. 
Esses compostos, às vezes, estão presentes como impurezas de outros ingredientes do meio de cultura. O 
Potássio é regulador da pressão osmótica (para cada íon metálico divalente absorvido, o dobro da quantidade 
de K+ é excretada), estimula fermentação e respiração em pH reduzido. e é co-fator de várias enzimas. O 
Magnésio é co-fator de várias enzimas. Participa na ativação das enzimas glicolíticas, estimula a síntese de 
ácidos graxos essenciais, regula os níveis iônicos celulares, a ativação de ATPase na membrana e a absorção 
de fosfato juntamente com K+. A concentração de Mg++ afeta a associação de ribossomos. O Cálcio estimula 
a crescimento celular pela incorporação na parede celular e membrana plasmática. O Ferro é necessário para 
a síntese dos citocromos e de certos pigmentos. Outros íons como Cl-, Na+, Ba2+, Zn2+, Mn2+, Co+2 são 
encontrados na composição elementar de muitos microrganismos e estão envolvidos em importantes etapas 
do metabolismo. 
O Fator de Crescimento é um metabólito essencial que o microrganismo é incapaz de sintetizar, 
devendo encontrar pré-formado no meio. A bactéria Zymomonas mobilis, por exemplo é auxotrófica em 
relação a pantotenato, um precursor da coenzima A. Em geral, os fatores de crescimento podem ser: 
i) aminoácidos - indispensáveis para a síntese de proteínas;ii) bases púricas e pirimídicas - necessárias para a síntese dos ácidos nucléicos; 
iii) vitaminas - são co-enzimas ou precursores de co-enzimas. 
 
2.3.2.2 Água 
Representa 75% de peso celular. É essencial para a absorção dos nutrientes e a remoção de 
produtos indesejáveis. 
 
2.3.2.3 Oxigênio 
O oxigênio é o receptor final de elétrons na respiração celular. Também altera o potencial de 
oxidação-redução das células. Muitos sistemas enzimáticos de células requerem condições extremamente 
reduzidas, isto é, um baixo potencial de oxidação-redução, para funcionar. Outros requerem condições 
oxidadas, um potencial de oxidação-redução elevado. 
Os microrganismos podem ser classificados quanto ao requerimento de oxigênio em (Figura 2.6): 
i) aeróbios - necessitam do oxigênio para a sua sobrevivência. O oxigênio participa do metabolismo 
desses microrganismos como receptor final de elétrons. Bacillus, Pseudomonas e Streptomyces pertencem a 
esta classe. 
ii) anaeróbios - não sobrevivem na presença de oxigênio, que é tóxico para esta classe de 
microrganismos. As espécie do gênero Clostridium incluem-se nesta classe. 
iii) anaeróbios facultativos - sobrevivem na ausência ou na presença de oxigênio. Tais organismos 
podem ser subdivididos em dois grupos, dependendo se o oxigênio é ativamente metabolizado ou é 
meramente tolerado. As bactérias acéticas (Streptococcus, Leuconostoc e Lactobacillus) pertencem ao grupo 
que obtém energia exclusivamente de fermentação, embora não sejam prejudicadas pelo oxigênio. Por outro 
lado, bactérias coliformes, tal como Escherichia coli, podem obter energia de fermentação ou respiração. O 
desenvolvimento ótimo destes microrganismos geralmente acontece em uma das duas condições. 
Zymomonas mobilis por exemplo, se desenvolve na presença de oxigênio, porém não o utiliza no seu 
metabolismo e a taxa de crescimento é inferior que na sua ausência. 
iv) microaerófilos - precisam de oxigênio para sobreviver, mas a concentrações muito baixas. 
v) aerotolerantes - são bactérias anaeróbias que crescem em pressões de oxigênio inferiores a da 
atmosfera terrestre. 
 
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2.4 Fatores físico-químicos 
2.4.1 Temperatura 
A temperatura ideal para o crescimento do organismo varia de espécie para espécie. Os 
microrganismos podem ser classificados de acordo com a temperatura em que o seu crescimento é pleno em 
(Figura 2.6): 
i) mesófilos - se desenvolvem em temperaturas médias entre 20°C e 40°C 
ii) termófilos - se desenvolvem em temperaturas entre 45°C e 100°C. A principal vantagem destes 
microrganismos sobre os outros que crescem em temperaturas inferiores é o metabolismo mais rápido. 
iii) psicrófilos- se desenvolvem em temperaturas baixas entre -4°C e 15°C. Estes microrganismos, 
por sua vez, apresentam taxas metabólicas bastante reduzidas. 
 
Figura 2.6: Classificação dos microrganismos quanto à sua temperatura ótima de crescimento. 
 
 
Figura 2.7: Efeito da temperatura nas reações enzimáticas conduzidas na célula. 
 
A influência da temperatura no crescimento é, em última análise, o reflexo do efeito da temperatura 
nas reações enzimáticas conduzidas na célula. Na Figura 2.7 mostra-se que com a redução da temperatura, a 
atividade enzimática, e portanto a taxa de crescimento celular, diminui. No ponto de congelamento a 
atividade metabólica pára, não somente devido à diminuição da atividade enzimática como também porque a 
célula é desprovida de água. Um aumento da temperatura acima da temperatura ótima de crescimento, 
aumenta a atividade metabólica, porém ao mesmo tempo a taxa de degradação das enzimas e das proteínas 
também aumenta, resultando eventualmente em dano aos componentes celulares e conseqüentemente na 
morte da célula. 
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Note-se, que a faixa de temperatura em que um microrganismo se desenvolve otimamente é muito 
mais estreita que a representada pela classificação acima. A temperatura ótima para o crescimento de uma 
espécie de microrganismo está diretamente relacionada com a temperatura do seu habitat natural. 
 
2.4.2 pH 
Existe uma faixa ótima de concentração de íons hidrogênio para o desenvolvimento de 
microrganismos, embora a faixa de pH em que eles se desenvolvam seja relativamente ampla. As bactérias 
preferem os meios neutros (pH 7-7,5), sendo a maioria tolerantes a pH entre 6 e 9. As leveduras e os mofos 
preferem meios relativamente ácidos de pH 3 a 6. 
Os microrganismos geralmente crescem melhor no pH do seu habitat natural. Em muitos casos, o 
próprio microrganismo, como resultado do seu metabolismo, exerce papel preponderante na definição do pH 
ideal para o seu crescimento. Bactérias produtoras de ácido, mofos e leveduras aumentam a concentração de 
íons hidrogênio no ambiente e tendem a crescer melhor em valores de pH moderadamente baixos. Outras 
bactérias, especialmente as putrefativas que decompõem proteínas em aminoácidos e amônia, aumentam o 
pH do ambiente e vivem bem em condições alcalinas. 
 
2.4.3 Pressão Osmótica 
A pressão osmótica de microrganismos é independente da pressão osmótica do meio de cultura em 
que eles estão suspensos. Quando uma célula é colocada em um meio, uma pressão osmótica é exercida 
através de sua membrana semi-permeável. Um microrganismo normalmente cresce melhor em meios que 
tenham concentrações osmóticas levemente inferiores à sua própria. Isto causa o fluxo de água para o interior 
célula, condição essencial para a difusão de nutrientes e manutenção de uma pressão exercida de dentro para 
fora da célula (turgor). Quando a concentração do meio é consideravelmente menor que a da célula (meio 
hipotônico), a água difunde em excesso para interior da célula, aumentando a pressão de turgor e causando 
muitas vezes, o rompimento da membrana celular (plasmólise) em células que não são protegidas por uma 
parede celular rígida. Se a concentração osmótica do meio é maior que a da célula (meio hipertônico), a água 
deixa a célula, e a membrana citoplasmática encolhe se afastando da parede celular. Organismos que crescem 
em altas pressões osmóticas ou em altas concentrações salinas são ditas osmofílicos e halofílicos, 
respectivamente. 
 
2.5 Meios de Cultura 
São meios líquidos ou sólidos (semi-sólido) contendo substâncias capazes de proporcionar o 
crescimento de microrganismos. Os meios de cultura são classificados de acordo com as fontes de nutrientes 
em complexo e sintético. 
Meio Complexo - é um meio empírico consistindo de extratos de tecidos animal ou vegetal. Estes 
meios geralmente contêm todos os ingredientes necessários para o crescimento dos microrganismos, mas 
eles estão em formas cruas, isto é, nem todos os componentes do meio nem as quantidades exatas deles são 
conhecidas. Muitos componentes de meio complexo são produtos da digestão ácida ou enzimática de tecidos 
de plantas, carnes, caseína e células de levedura que são fontes ricas em polipeptídeos, aminoácidos, 
vitaminas e sais minerais. Exemplos de meios complexos são os extratos de levedura e as peptonas 
(hidrolisados de proteína). Estes extratos, geralmente contêm carboidratos, no entanto os meios complexos 
são suplementados com açúcar. 
Meio Sintético (Quimicamente Definido) - são os meios de cultura em que todos os nutrientes 
necessários para o crescimento do microrganismo são fornecidos na forma de produtos químicos 
relativamente puros e suas quantidades são conhecidos. Diz-se que o meio é mínimo quando todos os 
compostos, exceto fatores de crescimento, são provenientes de fontes inorgânicas. 
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Alguns autores chamam de meio semi-definido ou completo,o meio complexo complementado por 
quantidades conhecidas de sais minerais. 
Os meios de cultura são usualmente esterilizados com calor em autoclave a 121oC e 15 libras de 
pressão de vapor durante 15 a 30 minutos. 
 
2.6 Microrganismos e meios de cultura para utilização industrial 
 
Os microrganismos que possam ter interesse industrial podem ser obtidos basicamente das seguintes formas: 
- isolamento a partir de recursos naturais 
- compra de coleções de cultura 
- obtenção de mutantes naturais 
- obtenção de mutantes induzidos por métodos convencionais 
- obtenção de microrganismos recombinantes por técnicas de biologia molecular. 
 
Características desejáveis em microrganismos industriais: 
- Apresentar elevada eficiência na conversão do substrato em produto; 
- permitir o acúmulo de produto no meio de cultura, de forma a se obter elevada concentração deste 
no caldo fermentado; 
- não produzir substâncias incompatíveis com o produto; 
- apresentar constância quanto ao comportamento fisiológico; 
- não ser patogênico; 
- não exigir condições de processo muito complexas; 
- não exigir meios de cultura dispendiosos; 
- permitir rápida liberação do produto para o meio. 
 
Características desejáveis nos meios de cultivos: 
- Ser o mais barato possível; 
- atender as necessidades nutricionais dos microrganismos; 
- auxiliar no controle do processo, como é o caso de meios ligeiramente tamponados, que evitam 
variações drásticas de pH, ou evitar formação excessiva 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; 
- ter composição razoavelmente fixa; 
- não causar dificuldades no tratamento final dos efluentes. 
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3 Biorreatores e Processos Fermentativos 
Denominam-se “biorreatores”, “reatores bioquímicos” ou “reatores biológicos” os reatores 
químicos onde ocorrem uma séries de reações químicas catalisadas por “biocatalisadores”. Estes 
biocatalisadores podem ser enzimas ou células vivas (microbianas, animais ou vegetais). Assim, os 
biorreatores podem ser classificados em dois grandes grupos: 
1. biorreatores nos quais as reações ocorrem na ausência de células vivas, ou seja, são reatores 
enzimáticos; 
2. biorreatores onde as reações se processam na presença de células vivas 
3.1 Classificação dos biorreatores 
Os biorreatores podem receber diversos tipos de classificação, como por exemplo: 
- quanto ao tipo de biocatalisador (células ou enzimas); 
- quanto à configuração de biocatalisador (cel/enz livres ou imobilizadas); 
- quanto a forma de se agitar o líquido no biorreator. 
Considerando as várias propostas uma classificação mista e abrangente é apresentada na Tabela 3.1, 
à seguir. 
 
Tabela 3.1: Classificação geral dos biorreatores. 
CLASSIFICAÇÃO DOS BIORREATORES 
 
1. Reatores em fase aquosa (fermentação submersa): 
1.1. Células ou enzimas livres: 
- reatores agitados mecanicamente (STR: stirred tank reactors) 
- reatores agitados pneumaticamente: 
o coluna de bolhas (bubble column) 
o reatores air-lift 
- reatores de fluxo empistonado (plug-flow) 
1.2. células ou enzimas imobilizadas em suportes: 
- reatores com leito fixo; 
- reatores com leito fluidizado 
- outras concepções 
1.3. células ou enzimas confinadas em membranas: 
- reatores com membranas planas 
- reatores de fibra oca 
2. Reatores de fase não aquosa (fermentação semi-sólida) 
- reatores estáticos (bandejas) 
- reatores com agitação (tambor rotativo) 
- reatores com leito fixo 
- reatores com leito fluidizado gás-sólido. 
 
Fonte: Schmidell et al., 2001 
 
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A Figura 3.1 mostra alguns tipos de configurações de biorreatores. 
 
Figura 3.1: Configurações de biorreatores (a) STR; (b) coluna de bolhas; (c) air-lift; (d) plug-flow; (e) com 
células imobilizadas (leito fixo); (f) com células imobilizadas (leito fluidizado); (g) reator com membranas 
planas; (h) hollow-fiber (Fonte: Schmidell et al., 2001). 
3.2 Formas de condução de um processo fermentativo: 
a) descontínuo: 
- com um inóculo por tanque; 
- com recirculação de células; 
b) semicontínuo: 
- sem recirculação de células; 
- com recirculação de células; 
c) descontínuo alimentado: 
- sem recirculação de células; 
- com recirculação de células; 
d) contínuo: 
- executado em um biorreator (com ou sem recirculação de células); 
- executado em vários biorreatores (com ou sem recirculação de células). 
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4 Cultivo Descontínuo 
Os cultivos descontínuos clássicos vêm sendo utilizados pelo homem desde a Antigüidade e, ainda 
hoje são os mais utilizados para a obtenção de diversos produtos. São também conhecidos como 
fermentações descontínuas, fermentações por batelada ou processo descontínuo de fermentação. 
Forma de operação: 
No primeiro instante, o meio de cultura esterilizado é adicionado ao biorreator. Após é adicionada o 
inóculo e inicia-se o cultivo. Ao longo do cultivo podem ser adicionados ar, no caso de cultivos aeróbios, 
solução ácida e/ou alcalina, quando se deseja manter o pH constante, e antiespumante. Terminado o tempo de 
cultivo, esvazia-se o biorreator e o meio fermentado segue para a etapa de extração e purificação dos 
produtos. O biorreator é então lavado, esterilizado e recarregado novamente com meio de cultivo. 
 
Características dos cultivos descontínuos: 
- volume de meio de cultura praticamente constante ao longo do cultivo; 
- pode ter baixos rendimentos e/ou produtividades devido a efeitos de inibição pelo substrato 
ou pelo produto e dos “tempos mortos” de carga, descarga, lavagem e esterilização do 
biorreator; 
- baixo risco de contaminação; 
- grande flexibilidade de operação. 
4.1 Inóculo 
Denomina-se de inóculo, pé-de-cuba ou pé-de-fermentação um volume de suspensão de 
microrganismo de concentração adequada capaz de garantir, em condições econômicas, o cultivo de um dado 
volume de meio de cultura. 
 O armazenamento dos microrganismos possui o objetivo de conservar a cepa viável e com 
capacidade produtiva, portanto, como o mínimo possível de divisões celulares, evitando desta forma o 
aparecimento de mutações. O principais métodos de armazenamento das cepas são em ágar inclinado ou 
secas. A manutenção da cepa é tão importante que algumas empresas possuem centros especializados para 
manutenção e distribuição das cepas. 
O volume de inóculo introduzido em um fermentador normalmente é em torno de 10% de sua 
capacidade útil, podendo variar, no entanto entre 0,5% e 50% de sua capacidade conforme o processo. 
A Figura 4.1 apresentas as diversas fases de preparação do inóculo. 
Nos processos industriais, as bateladas podem ser classificadas conforme seu inóculo em três tipos: 
- cada biorreator recebe um inóculo; 
- processo com recirculação de microrganismos; 
- processo por meio de cortes. 
4.2 Meio de cultura 
Também denominado de mosto, o meio de cultura deve possuir os nutrientes necessários para o 
crescimento celular: 
a) elementos principais: C, H, O e N; 
b) elementos secundários: P, K, S, Mg; 
c) vitaminas e hormônios; 
d) elementos traços: Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, etc. 
Na hora de escolher um meio de cultivo para utilização industrial, a quantidade de cada um dos 
elementos no meio de cultivo deve levar em conta a necessidade de nutrientes do microrganismo e favorecer 
a formação do produto final. Outro fatores importantes são: 
- o custo; 
- a quantidade de carbono disponível; 
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Semestre 2006/2 23 
 
- a disponibilidade e o armazenamento 
- dificuldade de esterilização; 
- a fermentescibilidade 
- o comportamento do meio durante e após o cultivo (ex: formação de espuma); 
Exemplos de substratos disponíveis para utilização como meio de cultura industrial: açúcares, 
melaços, soro de queijo, celulose, amido, e resíduos como água de maceração de milho, metanol, etanol, 
alcanos, óleos e gorduras, etc. 
 
Figura 4.1: Representação esquemática do preparo do inóculo (Fonte: Schmidell et al., 2001) 
 
4.3 Cinética de um cultivo em batelada 
O estudo cinético de um processo fermentativo consiste, inicialmente, na análise da evolução dos 
valores de concentração de um ou mais componentes do sistema. Por componentes do sistema entende-se: 
- Microrganismo (biomassa) X 
- Substratos do meio de cultura S 
- Produto ou metabólito P 
 
Parâmetros de um processo biológico: 
Velocidades instantâneas de transformação, r: também denominadas velocidades volumétricas 
de transformação, com unidades (massa) × (comprimento)-3 × (tempo)-1. 
Velocidades específicas de transformação, µ: também denominada velocidade específica de 
crescimento em (tempo)-1. 
Tempo de duplicação, td : O crescimento celular muitas vezes é expresso em termos de tempo de 
duplicação. 
Fatores de conversão e coeficientes específicos de manutenção, Y. 
 
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Semestre 2006/2 24 
 
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30
la
ct
as
e 
(U
O
N
P
G
/m
l)
0
200
400
600
800
1000
1200
la
ct
as
e 
(U
O
N
P
G
/m
g 
cé
l)
lactase (U/ml)
lactase (U/mg cél)
0,01
0,1
1
10
100
0 5 10 15 20 25 30
tempo (h)
bi
om
as
sa
 (g
/l)
0
10
20
30
40
50
60
aç
úc
ar
es
 to
ta
is
 (g
/l)
 / 
et
an
ol
 (g
/l)
biomassa
açúcares totais
etanol
 
Figura 4.2: Curvas de ajuste dos resultados de uma determinada fermentação. 
4.3.1 Cinética de crescimento celular 
Em um cultivo descontínuo são observadas diferentes fases na curva de crescimento celular. Estas 
fases são bem visíveis quando se desenha o gráfico semilogarítmico da concentração de células viáveis 
contra o tempo, como é mostrado na Figura 4.3. 
 
Figura 4.3: Curva de crescimento em reator batelada (Fonte: Doran, 1995). 
 
Fase lag ou de “latência”: durante a fase lag, a taxa de crescimento é nula (X = X0 = cte), pois as 
células estão se adaptando ao novo meio de cultura, sintetizando novas enzimas ou componentes estruturais. 
A duração da fase lag varia com a concentração do inóculo, com a idade do microrganismo e com seu estado 
fisiológico. Conforme a composição e a duração do pré-inóculo é possível que a fase lag nem exista. 
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Semestre 2006/2 25 
 
Fase de aceleração: é a fase de transição em que se observa o início da reprodução microbiana. 
Ocorre um aumento gradual na velocidade de reprodução e, conseqüentemente, na velocidade específica de 
crescimento. 
Fase exponencial de crescimento: a velocidade específica de crescimento é constante e máxima (µ 
= µmáx). Desta forma, pode-se concluir, através da equação (4.1), que a velocidade de crescimento é 
diretamente proporcional à concentração celular X: 
X
dt
dX
máx ⋅= µ
 (4.1) 
Fase de declínio ou desaceleração: à medida que os nutrientes do meio de cultura vão se esgotando, 
ou que são formados produtos inibitórios, a taxa de crescimento cai e a curva de crescimento celular entra na 
fase de declínio. 
Fase estacionária: nesta fase foi atingida a concentração máxima de células no meio de cultivo e 
esta concentração é constante (X = Xmáx) durante a fase estacionária. Há um balanço entre a velocidade de 
reprodução e a velocidade de morte dos microrganismos, ocorrendo também modificações na estrutura 
bioquímica da célula. 
Fase de morte: o valor da concentração celular diminui porque as células perdem viabilidade ou são 
destruídas por lise. 
 
4.3.2 Equação de Monod: interpretação da fase exponencial de crescimento 
A equação empírica abaixo, proposta por Monod, tem sido normalmente utilizada para explicar a 
relação entre a concentração de substrato limitante no meio de cultivo, S, e a velocidade específica de 
reprodução do microrganismo, µX: 
SK
S
S
máx
+=
µµ (4.2) 
onde µmáx representa a velocidade específica máxima de crescimento do microrganismo e KS é a constante de 
saturação. Na equação (4.2), fazendo-se S = KS, tem-se que µ = ½µmáx , ou seja, KS é a concentração de 
substrato quando µ é a metade de µmáx. A equação (4.2) está representada na Figura 4.4 para dois valores 
diferentes de KS. Quanto menor for o valor de KS, maior será a duração da fase exponencial de crescimento. 
A Tabela 4.1 apresenta valores de KS para diversos microrganismos. 
 
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
S (mg/L)
µ (
h-
1 )
A
B
 
Figura 4.4: Curvas da equação de Monod para valores hipotéticos de µmáx = 0,14h-1 e KS = 0,60mg.L-1 
(Curva A) e KS = 0,030mg.L-1 (Curva B). 
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Tabela 4.1: valores de KS para diferentes microrganismos. 
Microrganismo 
(gênero) 
Substrato limitante KS (mg.L-1) 
Saccharomyces Glicose 25 
Escherichia Glicose 4,0 
 Lactose 20 
 Fosfato 1,6 
Aspergillus Glicose 5,0 
Candida Glicerol 4,5 
 Oxigênio 0,042-0,45 
Pseudomonas Metanol 0,7 
 Metano 0,4 
Klebsiella Dióxido de carbono 0,4 
 Magnésio 0,56 
 Potássio 0,39 
 Sulfato 2,7 
Hansenula Metanol 120,0 
 Ribose 3,0 
Cryptococcus Tiamina 1,4 × 10-7
Fonte: Doran, 1997 
 
A equação de Monod não leva em conta o efeito inibidor tanto do substrato como do produto 
formado, contudo não é o único modelo que tenta explicar a relação entre o substrato limitante e a velocidade 
de crescimento microbiano nesta condição de cultivo. Outras equações foram propostas e merecem ser 
citadas: 
Equação de Teissier: 
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −= − SKSmáx e1µµ (4.2) 
Equação de Moser: 
n
S
n
máx SK
S
+= µµ (4.3) 
Equação de Contois e Fujimoto: 
SXK
S
S
máx += µµ (4.4) 
Equação de Powell 
SKK
S
DS
máx ++= µµ (4.5) 
A ausência de inibição é, na verdade, uma situação pouco comum na prática, principalmente em 
cultivos descontínuos, onde há um crescente acúmulo de metabólitos que acabam interferindo 
desfavoravelmente sobre o metabolismo e crescimento microbianos. 
O efeito da inibição pelo substrato ocorre quando um alto valor inicial de S, ao invés de aproximar 
µ de µmáx, provoca o efeito contrário, conforme mostrado na Figura 4.5: 
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0,00
0,07
0,14
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0
S (mg/L)
µ (
h-
1 )
KS K I,S
A
B
 
Figura 4.5: Cinética de inibição pelo substrato (Curva A) e sem inibição (Curva B), conforme a equação de 
Monod para µmáx = 0,14 h-1. 
 
Com o objetivo de explicar esta redução na velocidade específica de crescimento, foi proposta uma 
modificação na equação de Monod: 
SK
K
SK
S
SI
SI
S
máx +⋅+⋅= ,
,µµ (4.6) 
Nesta nova expressão, KS continua sendo a constante de saturação da equação de Monod, e KI,S é a constante 
de inibição pelo substrato, que se refere a um valor de S para qual µX = ½µmáx , porém para um valor de S de 
cause inibição, sendo assim superior ao valor de S da equação de Monod. Se KI,S é muito maior que S, a 
última parte da equação 4.6 fica igual à unidade e não há inibição pelo substrato. 
Quando ocorre inibição pelo produto, uma equação semelhantefoi proposta: 
PK
K
SK
S
PI
PI
S
máx +⋅+⋅= ,
,µµ (4.7) 
onde KI,P é a constante de inibição pelo produto, com significado semelhante à KI,S da equação 3.20. 
4.3.3 Cinética de formação de produto 
Os produtos de fermentação podem ser classificados conforme a relação entre a cinética de 
formação do produto e a geração de energia pela célula. Conforme a Tabela 4.2 podemos classificar a 
cinética de formação de produtos durante a fermentação em três tipos: 
- produtos diretamente associados à formação de energia na célula (crescimento celular); 
- produtos indiretamente associados ao crescimento celular; 
- produtos não associados ao metabolismo energético. 
4.3.4 Cinética de consumo de substrato pela célula 
As células consomem substrato do meio externo e os canalizam para diferentes vias metabólicas. 
Parte é direcionada a crescimento e à síntese de produtos, outra fração é utilizada para gerar energia para a 
manutenção da atividade celular (ver Figura 4.7). 
A necessidade de substrato para manutenção depende do microrganismo e das condições de cultura. 
A velocidade especifica de consumo de substrato para manutenção da atividade celular é conhecida como 
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coeficiente de manutenção, mS, com dimensão (tempo)-1, geralmente expresso em (kg de substrato) × (kg de 
biomassa)-1 × (s)-1. Alguns exemplos de coeficiente de manutenção são mostrados na Tabela 4.3. 
 
Tabela 4.2: Exemplos de produtos conforme sua associação com o metabolismo energético. 
Classe de produto Exemplos 
produtos diretamente associados à formação de energia na célula 
Etanol, ácido acético, ácido glucônico, 
acetona, butanol, ácido lático e outros 
produtos de fermentação anaeróbica. 
produtos indiretamente associados à formação de energia na 
célula 
Aminoácidos e derivados, ácido cítrico, 
nucleotídeos. 
produtos não associados ao metabolismo energético Penicilina, estreptomicina, vitaminas 
Fonte: Doran, 1997. 
 
 
Figura 4.6: Representação esquemática da formação de produtos: a) formação de produto associada ao 
crescimento celular; b) formação de produto resultante de metabolismo secundário; c) produto formado na 
fase estacionária de crescimento. 
 
Tabela 4.3: Coeficiente de manutenção de diversos microrganismos em glicose como fonte de carbono. 
Microrganismo Condição de cultivo mS (kg glicose) × (kg células)-1 × (s)-1
Saccharomyces cerevisiae anaeróbia 0.036 
 anaeróbia, 1,0M NaCl 0,360 
Azotobacter vinelandii fixação de nitrogênio, tensão de O2 dissolvido: 0,2 atm 1,5 
 fixação de nitrogênio, tensão de O2 dissolvido: 0,02 atm 0,15 
Klebsiella aerogenes anaeróbica, limitação de triptofano, 2g.L-1 NH4Cl 2,88 
 anaeróbica, limitação de triptofano, 4g.L-1 NH4Cl 3,69 
Lactobacillus casei 0,135 
Aerobacter clocae anaeróbia, limitação de glicose 0,094 
Penicilium crysogenum aeróbia 0,022 
Fonte: Doran, 1997 
 
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A força iônica do meio de cultivo possui grande influência no coeficiente de manutenção celular, 
pois são necessárias grandes quantidades de energia para manter os gradientes de concentração através da 
membrana celular. 
 
 
Figura 4.7: Resumo das principais rotas metabólicas. 
 
4.4 Cálculo do número de biorreatores descontínuos 
Considerando a uma instalação com biorreatores funcionando em processo descontínuo que deva 
fornecer, de maneira ininterrupta, meio cultivado à parte de extração e purificação dos produtos. Sendo: 
F = vazão média de meio cultivado que deve ser fornecido ao setor de extração e purificação dos produtos; 
tf = tempo de cultivo; 
V = volume de meio no biorreator; 
D = número de biorreatores com volume V, necessários para manter a vazão F de meio cultivado; 
td = tempo de descarga de um biorreator; 
tc = tempo de carga de um biorreator. 
A vazão F depende: 
- da quantidade de produto final desejada; 
- do rendimento da extração e purificação; 
- da concentração do produto no meio cultivado. 
Se M for a massa de produto final que se deseja produzir num tempo t, com r sendo o rendimento 
da etapa de extração e purificação do produto e C a concentração do produto no meio cultivado, então: 
rtC
MF ⋅⋅= (4.8) 
E o tempo de descarga é: 
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F
Vtd =
 (4.9) 
Para fins de aproximação inicial, pode-se considerar: 
dc tt = (4.10) 
A Figura 4.8 mostra um sistema em que, cada vez que um biorreator termina de ser descarregado, 
existe outro pronto para começar a ser descarregado, fornecendo meio cultivado ininterruptamente ao setor 
de extração e purificação dos produtos. 
 
Figura 4.8: Cronograma de funcionamento de biorreatores em um processo descontínuo. (1) início do 
preparo do biorreator; (2) fim da carga; (3) fim do cultivo; (4) fim da descarga (Fonte: Schmidell et al., 
2001). 
 
Assim, pode-se escrever, para ter-se o setor de extração e purificação dos produtos funcionando 
continuamente: 
fdd tttD +=⋅− )1( para (4.11) 3≥D
substituindo a equação (4.9) na (4.11) e rearranjando: 
V
tF
D f
⋅+= 2
 (4.12) 
A equação (4.12) nos permite calcular o número de biorreatores, desde que se conheça F, V e tf. A 
Figura 4.9 mostra visualmente o resultado da equação (4.12) 
 
Figura 4.9: Cronograma de funcionamento dos biorreatores número 1 e número D em um processo 
descontínuo. (1) início do preparo do biorreator; (2) fim da carga; (3) fim do cultivo; (4) fim da descarga 
(Fonte: Schmidell et al., 2001). 
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5 Cultivo Contínuo 
O cultivo contínuo caracteriza-se por possuir uma vazão de alimentação contínua e constante de 
meio de cultura dentro do biorreator, sendo que o volume de meio de cultura é mantido constante dentro do 
biorreator através da retirada contínua de meio cultivado. Nesta operação o biorreator atinge a condição de 
estado-estacionário ou regime permanente, no qual as variáveis de processo permanecem constantes ao longo 
do tempo. 
Vantagens do processo contínuo em relação ao descontínuo: 
- aumento da produtividade do processo devido da redução dos tempos mortos e não 
produtivos; 
- o meio de saída do biorreator é uniforme, facilitando os processos de extração e 
recuperação de produto; 
- manutenção das células num mesmo estado fisiológico; 
- possibilidade de associação com outras operações contínuas da linha de produção; 
- menor necessidade de mão-de-obra. 
Desvantagens do processo contínuo: 
- maior investimento inicial na planta; 
- possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas; 
- maior possibilidade de ocorrência de contaminações; 
- dificuldade de operação do estado estacionário. 
5.1 Formas de operação do sistema contínuo 
O cultivo contínuo normalmente têm início num cultivo em batelada. Após o final de um processo 
batelada típico, inicia-se a entrada e retirada de meio de cultivo, dando-se início à operação contínua 
propriamente dita. Uma vez iniciado o processo, ele irá convergir para o estado estacionário com maior ou 
menor rapidez, dependendo das condições do processo.. 
O sistema contínuo é extremamente versátil quanto as várias possibilidades de operação: 
- contínuo em um único estágio (um único reator) com ou sem reciclo de células. 
- contínuo em múltiplos estágios (n reatores em série): 
i. com uma única alimentação (com ou sem reciclo de células); 
ii. com múltiplas alimentações (com ou sem reciclo de células). 
 
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
diluição (1/h)
X
, S
 (g
/L
)
0
2
4