BIORREATORES E PROCESSOS FERMENTATIVOS2

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BIORREATORES E PROCESSOS 
FERMENTATIVOS 
Disciplina Microbiologia Industrial 
Profa. Evelyn de Souza Oliveira Lopes 
FERMENTAÇÃO DESCONTÍNUA 
(Vol. 2, Cap. 9) 
 
• Utilizadas desde a Antiguidade 
• Mais utilizadas para obtenção de vários produtos 
fermentados (iogurte, chucrute, picles, cerveja, 
vinho) 
• Fermentações por bateladas; processos descontínuos 
de fermentação 
 
• MODO DE OPERAÇÃO 
– Início da fermentação 
• Inoculação → solução nutriente estéril + micro-organismos 
→ incubação (para que a fermentação ocorra sob condições 
ótimas) 
– Durante a fermentação 
• Adição: - O2 (processos aeróbicos) 
 - antiespumante 
 - ácido/base (controle de pH) 
– Fim da fermentação 
• Dorna descarregada 
• Meio fermentado segue para os tratamentos finais 
– Após fermentação 
• Lavagem e esterilização da dorna 
• Recarregar com mosto e inóculo 
 
• Características do processo descontínuo 
• O volume no decorrer da fermentação é constante, caso não 
haja adição de soluções para o controle do processo, nem 
perdas de líquido por evaporação 
 
• Desvantagens 
– Baixos rendimentos e produtividade 
• Substrato é adicionado de uma vez só no início da 
fermentação 
– Efeitos de inibição 
– Repressão 
– Desvio do metabolismo celular a produtos que não interessam 
• Tempos mortos 
– Tempo que não está sendo usado 
(carga/descarga/lavagem/esterilização) 
• Vantagens 
– Apresenta menores riscos de contaminação (comparados a 
processos contínuos) 
– Grande flexibilidade de operação 
• Fabricação de diferentes produtos 
• Possibilidade de realizar fases sucessivas no mesmo 
recipiente 
– Condição de controle mais estreito da estabilidade 
genética do microrganismo 
– Capacidade de identificar todos os materiais relacionados 
quando está se desenvolvendo um determinado lote de 
produto 
 
• Inóculo; pé-de-cuba; ou pé-de-fermentação 
 
– É o volume de suspensão de micro-organismo de 
concentração adequada capaz de garantir, em 
condições econômicas, a fermentação de um dado 
volume de mosto 
 
• Preparo do inóculo 
– Volume de inóculo introduzido no fermentador ~10% de 
sua capacidade útil 
– Preparo do inóculo compreende 2 fases: laboratorial e 
industrial 
– A partir da cultura estoque, propaga-se o micro-organismo 
por meio de metodologia conveniente 
1. Fase inicial 
– Micro-organismo é passado do meio sólido (condições 
assépticas) para o meio líquido esterilizado 
– Incubação 
– Transferência do conteúdo do tubo para frascos apropriados 
(“shakers”), contendo meio esterilizado 
 
2. Após incubação 
– Trasnferência da suspensão microbiana para frascos 
maiores, contendo meio nutriente esterilizado 
 
3. A cada passo, os micro-organismos devem crescer 
rapidamente, sendo as transferências feitas na fase log 
de crescimento 
• Desenvolver um protocolo para a propagação do inóculo, para 
obtenção do mesmo no menor tempo possível e que atinja 
maiores rendimentos e/ou produtividades no processo 
industrial 
• Mosto 
– Cada micro-organismo possui condições ótimas de 
crescimento (temperatura, pH, nível de O2 dissolvido, 
entre outras) 
– Meio de cultivo 
• Meio de cultura (microbiologia) 
• Mosto ou meio de fermentação (fermentações 
industriais) 
– O meio deve propiciar não só a formação do 
produto que se deseja, como também o 
desenvolvimento microbiano 
• Classificação 
– Os processos descontínuos podem ser 
classificados em 3 grandes grupos: 
1. Aqueles em que cada dorna recebe um inóculo 
2. Processos com recirculação de células 
3. Processos por meio de cortes 
– Grupo 1 
• Consiste na inoculação de uma dorna com o micro-
organismo que foi propagado a partir de uma cultura 
pura 
• Oferece poucos riscos de contaminação 
• Este processo é indicado 
– Meio rico 
– Micro-organismo altamente susceptível à contaminação 
– Grupo 2 
• Reaproveitam o micro-organismo da batelada anterior como 
inóculo 
– Os micro-organismos são separados do caldo fermentado por 
centrifugação ou sedimentação (ex: cervejarias, destilarias de 
álcool) 
• Como há tendência de aumentar o número de contaminantes a 
cada nova batelada, o fermento deve sofrer tratamento antes de 
ser recirculado 
– No caso de levedura, mistura-se ao fermento concentrado água e 
ácido sulfurico. Agitação por 2 a 3 horas, proporcionando a 
eliminação de contaminantes, bem como de células em 
degeneração 
– Grupo 3 
• Inicia-se a fermentação com uma dorna (chamada dorna A) 
com pé-de-cuba 
• Quando a fermentação atinge um estágio apropriado, passa-
se parte do conteúdo da dorna A para uma dorna vazia 
(dorna B) e, em seguida, enchem-se 2 dornas com meio a 
fermentar. 
• Esta operação recebe o nome de corte 
 
• Esses cortes podem ser feitos na fase de crescimento 
mais intenso quando se deseja propagar o inóculo ou 
após o término da fermentação 
• A sucessão de cortes pode acarretar sérias quedas no 
rendimento, principalmente quando se trabalha com 
meio não esterilizado 
• O controle do rendimento poderá indicar o momento 
que se deve suspender o trabalho por cortes e se iniciar 
nova fermentação com inóculo novo 
Fermentação descontínua alimentada 
(Vol. 02, Cap. 10) 
• Processo descontínuo alimentado = processo por 
batelada alimentada = fermentação descontínua 
alimentada 
• Importância tanto em escala industrial como em 
pesquisas 
• O processo descontínuo alimentado é definido como uma técnica 
em processos microbianos, onde um ou mais ou todos os 
nutrientes são adicionados ao fermentador durante o cultivo e 
que os produtos aí permanecem até o final da fermentação. 
• Vazão da alimentação 
– Constante 
– Variar com o tempo 
• Adição do mosto 
– Contínua 
– Intermitente 
• Mudança de volume pode ou não acontecer 
– Concentração do substrato 
– Taxa de evaporação do sistema 
 
• Flexibilidade de utilização de diferentes vazões de 
enchimento de dornas com meio nutrientes 
– Controle da concentração de substrato no fermentador 
– Metabolismo microbiano pode ser deslocado para uma 
determinada via metabólica → acúmulo de um produto 
específico 
Cada condição de trabalho pode levar a diferentes perfis de 
concentração 
– Substrato 
– Células 
– Produto 
 
 
 
• Aplicações 
– Com o processo descontínuo alimentado, vários 
processos de fermentação apresentam maiores 
valores de rendimentos. Antes de 1940 
– Processos fermentativos: carboidratos→ compostos orgânicos 
simples 
– Sucesso da aplicação da fermentação descontínua alimentada 
para produção de levedura 
– Utilização de leveduras (com adição de um ou mais 
componentes necessários ao microrganismo) para produção 
de glicerol, acetona, butanol, ácido lático e outros materiais 
– Melhor controle do processo de fermentação 
– Utilização eficiente dos componentes do meio 
 
1. Minimização dos efeitos do controle do 
metabolismo celular 
– Um micro-organismo deve ser eficiente 
energeticamente 
• Dispõe de mecanismos regulatórios em seu 
metabolismo 
– Previnem que não haja superprodução de determinado 
produto ou síntese de uma enzima desnecessária 
• Processo descontínuo alimentado pode controlar 
– Repressão catabólica 
• Micro-organismos, glicose ou outras fontes de 
carbono rapidamente metabolizáveis 
– Reprimem a expressão de genes que codificam enzimas 
relacionadas ao metabolismo de outras fontes de carbono 
 
– Batelada alimentada: técnica para superar a repressão 
catabólica na biossíntese de enzimas 
– [glicose] no meio de fermentação é mantida baixa→ 
restringindo o crescimento → biossíntese da enzima é 
desreprimida• Exemplo: 
 Na produção de leveduras de panificação, procura-se minimizar o efeito da 
glicose através da utilização de diversas técnicas de alimentação de 
dornas, mantendo-se baixos os níveis de açúcar no meio de fermentação 
→ evita que o substrato seja deslocado para produção de etanol → 
aumenta a eficiência de transformação da fonte de carbono em células 
– Mecanismo de regulação denominado INDUÇÃO 
(desrepressão) 
 
• Ocorre na presença de um substrato e/ou indutor 
– Desreprimem ou liberam a síntese de uma dada enzima, cujos 
genes que a codificam são encontrados usualmente 
reprimidos 
– Diversas enzimas do catabolismo têm sua biossíntese regulada 
desse modo 
– Exemplo 
» Processo fermentativo cujo produto seja uma proteína 
recombinante, a indução de proteases se dá quando 
ocorre diminuição de nitrogênio no meio 
 
– Normalmente µx ocorre com valores [S] no meio fermentativo maiores 
que aqueles onde os efeitos de repressão catabólica são minimizados, 
sugere-se que se conduza o processo fermentativo em 2 fases 
1. Fornecimento de mais substrato para obtenção do aumento da 
biomassa 
 
1. Dimuinuição do fornecimento de substrato de tal forma a limitar 
a concentração de substrato e µx, de modo que haja 
desrepressão e a enzima e/ou produto desejado seja produzido 
 
1. Mecanismo de inibição por “feedback” (retroinibição) 
• Muitas enzimas são inibidas pela formação de produtos finais 
• Redução da formação de produtos finais indesejáveis, que exercem 
inibição e/ou repressão das enzimas que levam à formação do produto 
desejado → controle da alimentação do nutriente requerido 
• Técnica usada industrialmente para produção de aminoácidos 
2. Prevenção da inibição pelo substrato 
– Nutrientes como metanol, etanol, ácido acético e 
compostos aromáticos inibem o crescimento de micro-
organismos, mesmo em concentrações relativamente 
baixas 
– Qualquer fonte nutriente pode se tornar inibitória, 
dependendo da concentração no meio, do micro-
organismo e das condições de fermentação 
Exemplo: glicose como substrato de fermentação alcoólica 
com S. cerevisiae para concentração superiores a 100 g/L 
– O controle da vazão de alimentação permite que se evite 
o trabalho em condições inibitórias, melhorando a 
produtividade e/ou rendimento desses processos 
fermentativos 
 
3. Minimização da formação de produtos de 
metabolismo tóxicos 
– A produção de produtos de metabolismo tóxicos é 
particularmente crítica em processos onde se deseja a 
obtenção de altas densidades celulares, como 
fermentações com microrganismos recombinantes e com 
células animais, que produzem pouco produto. 
O controle da velocidade de fornecimento de substrato ao 
sistema permite que se mantenha a velocidade de 
crescimento celular em intervalos desejados e/ou 
minimize a formação de produtos tóxicos para as células, 
possibilitando ainda que se consiga altas concentrações 
destas e aumento na quantidade de produto formado 
4. Superação de problemas frequentes de 
estabilidade em processo contínuo 
5. Adequação do processo fermentativo a 
condições operacionais 
 
– Em estudos de enchimento de dornas, vazões 
decrescentes levaram a maiores produtividades e 
minimizaram problemas com espuma, pois a velocidade de 
adição de açúcar é máxima no início (quando se têm 
menores volumes de meio de fermentação e ainda não há 
inibição por etanol) e mínima no final da fase de 
crescimento 
Fermentação semicontínua 
 (Vol. 02, Cap. 11) 
• No processo semicontínuo, o meio de fermentação e o 
inóculo são colocados no reator na seguinte ordem: 
– Operação nº 1 
• Aguarda-se o tempo de fermentação 
– Operação nº 2 
• Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se, no 
reator o restante do mosto fermentado 
– Operação nº 3 
• Adiciona-se ao reator um volume de meio de 
fermentação igual ao volume de meio de fermentação 
retirado na operação nº2 
 
 
 
 
 
• O meio fermentado não retirado na op. 2, serve de inóculo ao 
meio de fermentação adicionado na op. 3 
 
• A sequência de operações será repetida enquanto não houver 
queda na produtividade do processo 
• Em alguns casos, o meio fermentado retirado do fermentador 
(op. 2) é submetido a uma centrifugação, para separar os 
microrganismos nele existentes 
 
• Estes m.o’s voltam ao reator juntamente com o meio de 
fermentação na op. 3 
 
• O processo chama-se semicontínuo, porque são intermitentes 
tanto o fluxo de entrada do meio no reator, quanto o de saída 
de material fermentado 
• Exemplos 
– Fabricação de vinagre a partir de vinho, conhecido como 
processo lento (ou processo francês, ou processo de Orleans) 
• Existem poucas aplicações, mas o processo 
semicontínuo pode apresentar algumas vantagens 
significativas, principalmente quando o volume de 
produção é relativamente pequeno: 
a. Possibilidade de operar a fermentação por longos períodos (às 
vezes, alguns meses) sem que seja necessário peraprar um 
novo inóculo 
b. Possibilidade de, uma vez conhecidas as melhores condições 
de operação, conseguir produtividade significativamente 
maior do que obtida em processo descontínuo 
 
Fermentação contínua 
(Vol. 2, Cap.12) 
• Caracteriza-se por possuir uma alimentação contínua de meio 
de cultura a uma determinada vazão constante, sendo o 
volume de reação mantido constante através da retirada 
contínua de caldo fermentado 
 
– A manutenção de V constante de líquido no 
fermentador é importante 
– Para que o sistema atinja a condição de estado 
estacionário ou regime permanente (“steady 
state”) 
– Condição na qual as variáveis de estado (X, S, P) 
permanecem constantes ao longo do tempo de 
operação do sistema 
• O processo contínuo caracteriza-se por ser um 
sistema que pode operar por longos períodos de 
tempo em estado estacionário 
• Para manutenção do V constante no 
fermentador 
– V alimentação = V retirado do meio 
– Na prática, é impossível 
– São usados sistemas de retirada de líquido por 
transbordamento (“ladrão”) 
• Para manter o nível de líquido constante 
– Ou ainda pode-se empregar bombas de alta vazão 
na saída, que são acionadas intermitentemente 
• Para manter uma massa constante no reator 
 
– Outro problema que pode comprometer a 
manutenção do V constante (principalmente em 
processos aerados) é a formação intensa de 
espuma 
• Utilização de anti-espumantes apropriados 
• Sistemas mecânicos de quebra de espuma 
– Este problema é crítico quando os reatores são de 
pequena capacidade 
• Vital importância a precisão no estabelecimento das 
vazões de alimentação e de retirada do caldo 
fermentado 
• Vantagens e desvantagens do processo contínuo em 
relação ao descontínuo 
– Principais vantagens (decorrentes da operação em estado 
estacionário) 
• Aumento da produtividade do processo 
– Em decorrencia da redução dos tempos mortos ou não produtivos 
• Obtenção de caldo fermentado uniforme 
– O que facilita o projeto das operações de recuperação do produto de 
interesse (“downstream”) 
• Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico 
– O que torna o processo contínuo uma ferramenta para estudos de 
mecanismos de regulação metabólica 
– Otimização de meio de cultura 
• 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 
– Maior investimento na planta inicial 
– Possibilidade de ocorrência de mutações genéticas espontâneas 
• Resulta na seleção de mutantes menos produtivos 
– Maior possibilidades de contaminações 
• Trata-se de um sistema aberto 
• Manutenção de condições de assepsianos sistemas de 
alimentação e retirada de meio, desde que o processo exija 
– Dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator 
• Quando se trabalha com baixas vazões 
• Ou quando o caldo adquire comportamento pseudo-plástico 
(cultivo de fungos filamentosos) 
– Dificuldades em operar em estado estacionário em 
determinadas situações 
• Formação de espumas; crescimento do m.o nas paredes do reator ou 
ainda nos sistemas de entrada e saída de líquido 
– Aplicações 
– Fermentação alcóolica em escala industrial para álcool 
combustível 
• Contínuo com reciclo de células 
• Contínuo em multiplos estágios 
• Obtenção de elevados rendimentos 
– Tratamento biológico de resíduos 
• Tratamento de resíduos de fábricas de cervejas e 
refrigenrantes, de laticínios e indústrias de alimentos 
em geral 
 
• Formas de operação 
– Processo contínuo normalmente inicia-se em um processo 
descontínuo 
– Carrega-se inicialmente o reator com meio de cultura 
– Inocula-se com o m.o responsável pela conversão 
– Após algum período de operação descontínua, inicia-se 
alimentação de meio de cultura e retirada de caldo 
– dependendo do instante em que se inicia o processo 
contínuo propriamente dito, bem como da vazão de 
alimentação empregada, o sistema poderá convergir com 
maior ou menor rapidez à situação de estado estacionário 
– Recomenda-se que se inicie a alimentação com cultivo em 
fase exponencial e contendo uma concentração celular 
mais elevada possível 
– Existem várias possbilidades de operação com o sistema 
contínuo 
1. Contínuo em um único estágio (um único reator) 
– Sem reciclo de células 
– Com reciclo de células 
2. Contínuo em múltiplos estágios (“n”reatores em série) 
– Com uma única alimentação (com ou sem reciclo de células) 
– Com múltiplas alimentações (com ou sem reciclo de células) 
– Cada uma dessas operações, resultará em distintos 
comportamentos das variáveis de estado (X, S, P) nos 
diversos estados estacionários possíveis, podendo-se assim 
definir faixas ideias de operação do sistema, tendo como 
objetivo básico obtenção de elevadas produtividades do 
processo 
• Sistema contínuo com recirculação de células 
– Obtenção de alta densidade celular no reator 
– Aumento da produtividade do processo 
– Reciclo de células 
• Interno 
• Externo 
– Recirculação interna 
• A fração de células é mantida no reator 
– Sedimentação 
– Emprego de um filtro na saída de líquido do reator 
 
– Recirculação externa 
• O líquido efluente circula através de um “separador de 
células” 
– Sedimentador 
– Centrífuga 
– Sistema de filtração por membranas 
• Uma corrente concentrada de células retorna ao 
fermentador 
• Outra corrente (filtrada ou permeada) sai praticamente 
isenta de células 
– Recirculação interna é mais segura do que o reciclo 
externo 
• Manutenção da assepsia 
• Produção de enzimas e antibióticos – reciclo interno 
• Fermentação alcoólica e tratamento biológico de resíduos 
– reciclo externo 
• Sistema contínuo em múltiplos estágios 
– Opções de condução 
• Sistema com uma única alimentação 
• Sistema com múltiplas alimentações 
• Sistema com reciclo de células, com uma ou múltiplas 
alimentações 
– Nem sempre é de fácil implementação e execução 
industrialmente 
– Aplicação ainda é restrita