aula biotecnologia

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AULA 3 
BIOPROCESSOS 
TAÍS HELENA MARTINS LACERDA 
 BIOPROCESSOS 
 (1) Normalmente empregam fase aquosa como solvente 
 (2) Operam em condições brandas (fisiologicamente compatíveis) - as enzimas são 
biomoléculas que atuam em faixas estreitas de temperatura, pressão, pH, potencial redox, 
força iônica e pressão osmótica 
 (3) A energia gerada nas reações é a energia química proveniente da transformação da 
molécula do substrato (matéria prima, reagente). Não necessita normalmente de energia 
térmica ou radiante 
(4) Os processos bioquímicos podem ser enquadrados como processos fermentativos 
(promovidos pela ação de microrganismos) ou enzimáticos (promovidos por enzimas) 
 
 
 
(Schmidell et al., 2001) 
INÓCULO 
 O inóculo pode ser representado por uma cultura pura, onde todas as células são 
representadas por uma mesma espécie ou, uma cultura mista, representada por um conjunto 
de espécies. 
 Os agentes microbianos podem ser isolados de recursos naturais, adquiridos em coleções de 
cultura, obtenção de mutantes naturais, mutantes induzidos por métodos convencionais e 
obtidos pela recombinação de técnicas de engenharia genética. 
 Ser de fácil cultivo: 
 (1) Exigência nutritiva simples, 
 (2) Não ser patogênico, 
 (3) Não produzir subprodutos tóxicos, permitindo elevado acúmulo de substâncias no meio (efeito de inibição, custo de purificação, alta 
quantidade resíduos de processo), 
 (4) Não produzir substâncias incompatíveis com o produto (ex.:proteínas x proteases), 
 (5) Constância no comportamento fisiológico, 
 (6) Produtividade mais alta possível, 
 (7) Elevada conversão de substrato em produto e, 
 (8) Não apresentar facilidade de mutação. 
 
PREPARO DO MEIO – CARACTERÍSTICAS DO MEIO 
 Ser o mais barato possível (abundância, disponibilidade da matéria-prima) 
 Atender exigências nutricionais do microrganismo 
 Auxiliar no controle do processo (efeito tamponante, evitar formação de espuma) 
 Estabilidade dos componentes durante armazenagem 
 Ter composição razoavelmente fixa 
 Não causar dificuldades na recuperação do produto ou no tratamento final do(s) resíduo(s) 
 
COMPONENTES DE UM MEIO DE FERMENTAÇÃO: 
(1) Macronutrientes – fonte de carbono, nitrogênio, sais inorgânicos, fontes orgânicas, fontes 
de fósforo e enxofre 
(2) Micronutrientes – potássio, magnésio, ferro, fatores de crescimento, água e oxigênio 
TIPOS DE MEIO DE FERMENTAÇÃO 
TIPO COMPOSIÇÃO CARACTERÍSTICA 
Sintético Composição qualitativa e 
quantitativa bem definidas 
Meios de alto custo 
Complexos Contém produtos cuja 
composição química não é bem 
definida 
Menos onerosos mas, a 
composição é variável, 
necessitando de instalações 
para o ajuste da composição 
EXEMPLOS DE MATÉRIAS PRIMAS E SUBSTRATOS 
Matérias primas e teores fermentescíveis 
Classificação das matérias primas 
EXEMPLOS DE MATÉRIAS PRIMAS E SUBSTRATOS 
Matérias primas 
convencionais 
DIVERSIDADE ENZIMÁTICA NOS MICRORGANISMOS 
BIORREATORES OU FERMENTADORES 
 São dornas grandes (escala industrial), tem a finalidade de obtenção do produto. 
 Possuem aparatos que permitam dar condições adequadas de crescimento ao microrganismo 
e monitorar a formação do produto (sistema de agitação, aeração para o processo aeróbico, 
registrador de temperatura e pH, serpentina, um local apropriado para a adição do inóculo, 
por exemplo). 
 Quanto da natureza do meio de fermentação podem ser classificados em: (1) Fermentação 
submersa – meio líquido e, (2) Fementação Superficial - meio sólido 
 Podem ser abertos ou fechados e, o material de construção usado em madeira, alvenaria, aço 
carbono, aço inoxidável, aço carbono revestido, resinas e plástico e resinas. 
 Quanto a configuração: 
 Tipo tanque (altura/diâmetro ≤ 3), Tipo Coluna (altura/diâmetro ≥ 3), Reator de Mistura 
Completa (CSTR), Reator de Fluxo Pistão 
 
 
 
 
BIORREATORES OU FERMENTADORES 
Exemplos de Reatores / Configuração: 
 
 
 
 
 
Reator tipo Tanque 
Fabricação de Antibiótico 
Reator tipo Coluna 
Fabricação de Cerveja 
TIPOS DE BIOPROCESSOS 
ALGUNS EXEMPLOS DE BIOPROCESSOS TRADICONAIS 
 
(1) FERMENTAÇÕES que se desenvolvem em resíduos agroindustriais ou florestais (palha, bagaço, 
serragem, etc.). Trata-se de fermentação em meio sólido umedecido empregada para produção de 
alimentos, cultivo de fungos, fermentação do cacau, chá e café. Na Ásia, a preparação de koji, que é a 
soja fermentada, é a base de alimentos tradiconais (tofu, missô, shoyi e sakê). 
(2) FERMENTAÇÃO para produção tradicional do vinagre (processo francês ou Orleans), onde o vinho é 
inoculado com bactérias Acetobacter, que irão formar na superfície a mãe do vinagre (película que flutua 
em função dos pedaços de cortiça, onde o microrganismo cresce em contato com o meio líquido e o 
ar, simultaneamente. Trata-se de processo lento, exige espaço, onde a capacidade de cada barril é de 
200L. 
 
 
 
 
TIPOS DE BIOPROCESSOS 
Reator para a 
fermentação sólida 
Reator para a 
produção de vinagre 
(Método Orleans) 
TIPOS DE BIOPROCESSOS 
ALGUNS EXEMPLOS DE BIOPROCESSOS SUBMERSOS 
 Maioria dos processos industriais se desenvolve em cubas de vidro ou de aço (20L). Os agentes 
biológicos se encontram submersos no meio de cultivo e, ocupa aproximadamente 75% da cuba. 
Geralmente é necessário injetar ar e, em muitas fermentações pode ocorrer a formação de espuma. 
 O desenho do biorreator deve adequar aos objetivos do processo tais como: 
 (a) Esterilização do sistema (podendo ocorrer dentro ou fora do fermentador, do ar com emprego 
 de filtros, por exemplo) 
 (b) Aeração e homogeneização do meio (aeração e agitação mecânica na maioria das vezes, facilitando 
 a distribuição dos nutrientes mas, gera calor que deve ser eliminado pela passagem de água fria) 
 (c) Acréscimo de nutrientes e aditivos antiespuma 
 (d) Manutenção do pH 
 
 
 
TIPOS DE BIOPROCESSOS 
Modelo de reator 
empregando 
fermentação submersa 
DO LABORATÓRIO À INDUSTRIA 
MUDANÇA DE ESCALA 
Um fermentador de laboratório possui de 1 a 10L onde são conduzidas as experiências 
de bancada (análise das variáveis físico-químicas), uma planta piloto até 5.000L e uma 
planta industrial até 100.000 litros. 
Quando se aumenta a escala (planta piloto) a relação superfície/volume é alterada e, a 
operação desse fermentador deve ser ajustada até se aproximar a um processo 
comercial. 
A automatização do monitoramento e do controle da fermentação permite que a 
informação sobre os aspectos físico-químicos (pH, temperatura, oxigênio, velocidade de 
agitação) seja recolhida por sondas ou sensores. Para que o processo se aproxime das 
condições ideais, a informação é analisada em relação a um modelo previamente 
estabelecido. 
 
 
DO LABORATÓRIO A INDÚSTRIA 
MONTAGEM DE ENSAIO MONITORAL EM ESCALA LABORATORIAL 
2ª Fase - Multiplicação celular 3ª Fase - Fermentação Alcoólica 
1ª Fase - Laboratório 
TIPOS DE FERMENTAÇÕES SUBMERSAS 
Fermentações, agentes 
biológicos e biorreatores 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
Os processos fermentativos podem ser conduzidos de maneira contínua ou 
descontínua (batelada) 
 Processo Descontínuo – o fermentador é carregado com matéria prima e inóculo, e a 
fermentação ocorre até o esgotamento dos nutrientes. Concluído o processo é extraído o 
produto e esvaziado o fermentador, limpo e esterilizado para receber outra carga. 
 (1) Entre uma carga e outrahá um tempo improdutivo 
 (2) Sistema flexível, pois ele pode ser empregado na fabricação de vários produtos 
 (3) Muito empregada na indústria farmacêutica em função do risco de contaminação ser baixo 
 
 
 
 
 
 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
 Processo Descontínuo – É o mais utilizado na indústria de alimentos e bebidas, como: 
iogurte, cerveja, vinho, picles, chucrute, etc. Permite o conhecimento básico da cinética de 
fermentação, para que se possa propor alternativas de condução de processo. 
 Os tipos de inóculo usados em processos descontínuos: 
 (1) com um único inóculo por fermentação (cultura pura com pouco risco de contaminação); 
 (2) Com reaproveitamento de células para o inóculo (empregando as células da fermentação anterior); e 
 (3) Com inóculo por sistema de corte. 
 
 
 
 
 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
 
 
Processo Descontínuo com 
um único inóculo  
 
 
 
Processo Descontínuo com 
reaproveitamento do inóculo  
 
 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
 
Processo Descontínuo 
Com cortes  
 
 
 
 
A condução da fermentação em “corte” pode ser feita na fase exponencial, quando deseja-se 
propagar inóculo, ou após o fim da fermentação. Inocula-se uma dorna, quando é atingido um estágio 
apropriado de fermentação, passa-se parte do conteúdo para uma dorna vazia, em seguida enche-se as 
duas dornas com meio. 
Pode levar a sérias quedas de rendimento. O controle do rendimento pode indicar quando deve-se 
interromper os cortes e iniciar nova fermentação com novo inóculo. 
 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
 Processo Descontínuo Alimentado – ou batelada alimentada, onde periodicamente, 
parte do conteúdo (meio de cultivo + produto) é retirado e substituído por meio fresco. 
Trata-se de um sistema intermediário entre batelada e contínuo. No Brasil, a predominância é 
pelo processo batelada alimentada com reciclo de células. 
 É um processo que minimiza repressão catabólica e os efeitos do controle do metabolismo celular 
(exemplos: produção de determinados antibióticos como neomicina, estreptomicina, bacitracina, sofrem 
repressão pela presença de glicose em concentrações mais elevadas e, evita que elevadas concentrações de 
substrato causem inibições da fermentação como no caso da concentração de glicose superiores a 100 g/L 
podem causar inibição em fermentação alcoólica com Saccharomyces cerevisiae). 
). 
 
 
 
 
 
 
 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
 Processo Contínuo – o acréscimo de nutrientes e a retirada de produtos ocorrem 
simultaneamente ao longo do processo, eliminando quase que totalmente o tempo 
improdutivo. O risco de contaminação aumenta. O sistema se adapta a processos que não 
exijam assepsia, como a produção de proteína microbiana e de etanol e, o tratamento de 
águas residuárias. 
 Ou seja, caracteriza-se por possuir uma alimentação constante de meio de cultura com uma 
determinada vazão (constante), sendo o volume de meio no reator, mantido inalterado através 
da retirada contínua de caldo fermentado. 
 A operação inicia-se como um processo descontínuo e a partir de um dado momento inicia-
se a alimentação de nutrientes e a retirada de meio fermentado. Após um tempo o sistema 
convergirá ao estado estacionário. 
 
 
 
 
 
 
 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
Processo Contínuo 
 
 
 
 
 
 
• Sem reciclo de célula 
• Com reciclo de célula 
Em um único estágio 
• Com uma única alimentação (com 
ou sem reciclo de célula) 
• Com múltiplas alimentações (com 
ou sem reciclo de células) 
Múltiplo estágio 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
Processo Contínuo em um Único Estágio 
 
 
 
 
 
 
Sem 
reciclo de 
células 
Com 
reciclo de 
células 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
Processo Contínuo com Múltiplos Estágios e uma Única Alimentação 
 
 
 
 
 
 
Sem reciclo 
de células 
Com 
reciclo de 
células 
CONDUÇÃO DA FERMENTAÇÃO 
Processo Contínuo com Múltiplos Estágios com Múltiplas Alimentações 
 
 
 
 
 
 
Sem reciclo 
de células 
Com 
reciclo de 
células 
RECUPERAÇÃO E PURIFICAÇÃO DO PRODUTO 
Downstream process 
Se o produto for secretado fora da célula, estará disperso em um grande volume de água e, 
será necessário separá-lo por decantação ou filtração (aminoácidos, ácidos orgânicos, 
álcoois, enzimas, alguns antibióticos), 
Se o produto permanecer dentro da célula, estas deverão ser desintegradas para proceder a 
sua extração (vitaminas, algumas enzimas e alguns antibióticos). 
Emprego de operações unitárias: 
(1) Floculação e decantação 
(2) Filtração 
(3) Centrufugação 
(4) Extração com solventes 
(5) Destilação 
(6) Cristalização 
(7) Desidratação