Fermentação submersa

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FERMENTAÇÃO 
SUBMERSA 
PROFA. CELIDARQUE DA SILVA DIAS 
I. FORMAS DE CONDUÇÃO DO PROCESSO 
Fermentação 
Descontinua 
Fermentação 
Semicontinua 
Fermentação 
Continua 
Com um 
inóculo 
Recirculaçao 
do inóculo 
Alimentada Por meio de 
corte 
20 % 80 % 
Completa o 
volume e 
Continua a 
operação 
Vazão 
Vazão 
constante 
Adição 
constante 
(meio, 
inoculo) 
Adição 
constante 
(meio, 
inoculo) 
A DIFERENÇA ENTRE AS FORMA DE 
OPERAÇAO 
• Variação de volume do cultivo 
• Variação da massa total do produto 
• Variação da concentração de células 
• Variação da concentraçao do substrato 
• Adição de nutrientes 
FERMENTAÇÃO DESCONTINUA 
• SINÔNIMOS 
• Batelada 
• Fermentação clássica 
• Batch 
 
• CARACTERÍSTICAS 
• Todos os nutrientes são adicionados ao biorreator 
• O volume é constante 
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GRÁFICO DE CRESCIMENTO MICROBIANO EM 
CULTIVO DESCONTÍNUO 
Aumento da massa e contato inicial com o 
meio nutriente, pode haver perda inicial de 
microorganismos 
Não se acumulou quantidades significativas de substâncias 
tóxicas 
Progressão 
geométrica 
GRÁFICO DA FERMENTAÇÃO DESCONTINUA 
Gráfico 1: Fase de crescimento 
exponencial; 
Fase estacionária; Morte celular. 
Gráfico 2: P: Conc. do produto; X: 
Conc. de células; S: Conc. do 
substrato. 
 
ADAPTAÇÕES DO PROCESSO DESCONTÍNUO (SEGUNDO 
BORZANI, 1975) 
 
• PROCESSOS EM QUE CADA DORNA RECEBE UM INÓCULO: INOCULA-SE 
CADA DORNAS SEPARADAMENTE COM O MO DE CULTURA PURA. 
 
• PROCESSOS COM RECIRCULAÇÃO DO MICROORGANISMO: OCORRE 
REAPROVEITAMENTO DO MO DA BATELADA ANTERIOR APÓS TRATAMENTO 
COM ÁCIDO POR 2 A 3 HORAS PARA ELIMINAR CÉLULAS DEGENERADAS E 
CONTAMINANTES-EX- NAS DESTILARIAS DE ÁLCOOL. 
 
• PROCESSOS POR MEIO DE CORTES: INOCULA-SE A DORNA A, ATINGE-SE O 
ESTÁGIO APROPRIADO (FASE INTENSA DE CRESCIMENTO OU NO FINAL DA 
FERMENTAÇÃO), TRANSFERE-SE PARTE DE A PARA UM FERMENTADOR 
VAZIO (B),DEPOIS PREENCHE OS DOIS COM MEIO. “DIZ-SE QUE A DORNA A 
FOI CORTADA PARA A DORNA B OU AINDA QUE B RECEBEU CORTE DE A. 
• O RENDIMENTO É QUE VAI DETERMINAR QUANDO PARAR O 
PROCESSO-PARA INICIAR COM INÓCULO NOVO. 
 
• APLICAÇÃO, NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS, PROCESSO FERMENTATIVO DE 
IORGUTE, CHUCRUTE, PICLES, CERVEJA, VINHO, ENTRE OUTROS 
 
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Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínuo 
Com um único inóculo por fermentação: 
» Propagado a partir de uma cultura pura. 
» Oferece poucos riscos de contaminação. 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínuo 
Reaproveitamento do inóculo da batelada anterior: 
» É utilizado como inóculo as células da fermentação anterior. 
(para isso pode-se utilizar parte do meio de fermentação ainda homogêneo, esperar que o 
microrganismo sedimente no fermentador ou ainda centrifugar o meio fermentado). 
» Há uma tendência em aumentar o número de contaminação a cada fermentação. 
» Técnica comum em destilaria de álcool. 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínuo 
Reaproveitamento do inóculo da batelada anterior: 
Figura 3: X: [células], S: [substrato]; P: Produto; F: Vazão 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínuo 
Processo por meio de corte: 
» O “corte” pode ser feito 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. 
» O controle do rendimento pode indicar quando deve-se interromper os cortes e iniciar 
nova fermentação com novo inóculo. 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínuo 
Processo por meio de corte: 
Figura 4: X: [células], S: [substrato]; P: Produto; F: Vazão 
 
Fermentação descontínua alimentada ou batelada 
alimentada 
 
TEM IMPORTÂNCIA TANTO NA INDUSTRIA COMO NA PESQUISA (O PRIMEIRO A UTILIZAR O TERMO 
CULTURA PARA ALIMENTAR MO FOI YOSHIDA E COLABORADORES EM 1973) 
CARACTERÍSTICA 
 É UMA TÉCNICA EM PROCESSOS MICROBIANOS, ONDE UM OU MAIS NUTRIENTES SÃO ADICIONADOS 
AO FERMENTADOR DURANTE O CULTIVO E EM QUE OS PRODUTOS AÍ PERMANECEM ATÉ O FINAL 
DA FERMENTAÇÃO. A ALIMENTAÇÃO PODE SER CONTÍNUA OU INTERMITENTE. A VAZÃO PODE SER 
CONSTANTE. O VOLUME PODE AUMENTAR OU NÃO DEPENDENDO DA TAXA DE EVAPORAÇÃO E DA 
CONCENTRAÇÃO DO SUBSTRATO. 
 
• APÓS O ENCHIMENTO TOTAL DA DORNA O PROCESSO PASSA A TER CARACTERÍSTICAS DO 
PROCESSO DESCONTÍNUO CLÁSSICO-O PROCESSO TERMINA QUANDO A MASSA DO PRODUTO 
PERMANECE CONSTANTE. 
 
• APLICAÇÃO, PRODUÇÃO DE GLICEROL, ACETONA, BUTANOL, ÁCIDO LÁCTICO E PRODUÇÃO DE MO. PARA 
MINIMIZAR A REPRESSÃO METABÓLICA, PREVENÇÃO DA INIBIÇÃO POR SUBSTRATO OU PRECURSORES, 
MINIMIZAR A FORMAÇÃO DE PRODUTOS DE METABOLISMO TÓXICO,EVITAR A PRESENÇA E MUTANTES, ESTUDO DA 
CINÉTICA FERMENTATIVA,ADEQUAÇÃO AO PROCESSO FERMENTATIVO OPERACIONAL 
 
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Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínua Alimentada 
 É definido como um modo de operação no qual um ou mais nutrientes 
(incluindo substrato), ou mesmo todos os nutrientes são adicionados 
gradualmente durante o processo de fermentação e os produtos 
formados permanecem no meio até o tempo final da fermentação. 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínua Alimentada 
Figura 5: X: [células], S: [substrato]; P: Produto; F: Vazão 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínua Alimentada 
- Com reaproveitamento de células. 
Figura 6: X: [células], S: [substrato]; P: Produto; F: Vazão 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínuo Alimentado 
Características principais: 
» O volume varia durante o decorrer da fermentação (embora possa ser pequena 
variação em alguns casos); 
» A adição de mosto pode ser constante ou variar com o tempo. 
» É possível controlar a concentração de substrato na fermentação (podendo assim 
interferir no metabolismo microbiano, levando a diferentes perfis de concentração de 
células e produto). 
 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Descontínuo Alimentado 
Figura 7: V: volume do meio, Mp: massa de produto; S: [substrato]. 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Semicontínuo 
 O processo de fermentação é chamado semicontínuo quando, uma vez colocado 
no fermentador, o meio e o inóculo, as operações que se seguem obedecerem à 
seguinte ordem: 
1º - Aguarda-se o término da fermentação; 
2º - Retira-se parte do meio fermentado (80 %), mantendo-se no fermentador o 
restante do mosto (20 %); 
3º - Adiciona-se ao fermentador um volume de mosto igual ao volume de meio 
fermentado retirado (80 %); 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Semicontínuo 
20 % 
Mosto 
inoculad
o 
Mosto 
fermentad
o 
Inóculo 
(parte do mosto 
fermentadofermentado 
Mosto 
inoculad
o 
Mosto 
novo (80 %) 
Mosto 
Fermentado 
(80 %) 
Um exemplo deste processo é o Melle-Boinot, usado em fermentações alcoólicas 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
• No sistema Semicontínuo é utilizado como inóculo as células da fermentação 
anterior que podem ser uma fração homogênea do meio ou mesmo células 
separadas por sedimentação. 
 
• A diferente da fermentaçao descontinua por meio de corte é que aqui espera-se 
concluir a ferrmentação, e na por meio de corte retira-se na fase exponencial de 
crescimento. 
 
• Processo lento 
 
• Utilizado para pequeno volume de produçao 
 
• Utilizado para produáo de vinagre 
 Processo Semicontínuo 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
Características principais: 
» O meio fermentado não retirado do reator serve de inóculo para a 
próxima fermentação. 
 
 
 Processo Semicontínuo 
VANTAGENS E DESVANTAGEMDA 
FERMENTAÇÃO DESCONTINUA 
• VANTAGENS 
• Menor risco de contaminação 
• Flexibilidade de operação 
• Estabilidade genética dos microorganismos 
• DESVANTAGEM 
• Apresenta “tempo morto”, tempo em que o fermentador não está sendo 
usado no processo fermentativo propriamente dito, como tempo de carga, 
descarga e esterilização. 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
 Processo Contínuo 
 O processo de fermentação contínua 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. 
 
 Pode ser operado por longos períodos de tempo em estado estacionário. 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
Vantagens em relação ao descontínuo: 
» Aumento da produtividade do processo; 
» Maior uniformidade do processo; 
» Menor necessidade de mão-de-obra. 
 
 
 Processo Contínuo 
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CULTIVO CONTÍNUO 
• Parâmetros se mantêm constantes, pois um novo meio de 
cultura é adicionado constantemente ao sistema, do qual se 
retira continuamente um volume correspondente. 
 
• O gráfico é uma reta, no entanto ainda se observa no inicio a 
fase lag; 
 
• Principal desvantagem desse processo é o aparecimento de 
mutantes, pois os microorganismos permanecem muito tempo 
sobre essas condições. 
 
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CRESCIMENTO EM CULTIVO CONTÍNUO 
100 
50 
0 
1 2 4 8 16 
h 
C
re
s
c
im
e
n
to
 
lo
g
 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
Desvantagens em relação ao descontínuo: 
» Maior investimento inicial; 
» Possibilidade de ocorrência de mutação genética espontânea (com consequente 
queda da produtividade); 
» Maior possibilidade de contaminação. 
 Processo Contínuo 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
Aplicações: 
A utilização do processo contínuo de fermentação encontra grandes aplicações práticas, 
como: fermentação alcoólica, tratamento de resíduos. 
Estes casos citados são processos não assépticos. 
Em processos em que se necessita de maior assepsia, como produção de enzimas e 
antibióticos, o processo contínuo encontra ainda aplicações restritas. 
 Processo Contínuo 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
Formas de operação no sistema contínuo: 
 
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 (vazão) 
 
Após um tempo o sistema convergirá ao estado estacionário (stedy state) 
 Processo Contínuo 
Formas de condução de um processo 
fermentativo 
Formas de operação no sistema contínuo: 
 O sistema contínuo é extremamente versátil quanto as suas várias possibilidades 
de operação, tais como: 
 Processo Contínuo 
Único 
estágio 
Múltiplos 
estágios 
Sem reciclo de células 
Com reciclo de células 
Com uma única 
alimentação 
Com múltiplas 
alimentações 
Processo 
contínuo 
Sem reciclo de células 
Com reciclo de células 
Sem reciclo de células 
Com reciclo de células 
CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS BIORREATORES 
Classificação dos biorreatores 
Único 
estágio 
Sem reciclo de células 
Processo 
contínuo 
S[substrato]; X[células]; F[vazão]; P[produto] 
Cada porção do meio alimentada é instantaneamente misturada, 
assim o liquido efluente possuirá a mesma composição [célula, 
substrato e produto]. 
Único 
estágio 
Sem reciclo de células 
Com reciclo de células 
Processo 
contínuo 
CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS BIORREATORES 
Classificação dos biorreatores 
Uma fração de células é mantida no reator através do emprego de um filtro na 
saída de liquido do reator. Objetiva obtenção de alta densidade celular. 
Múltiplos 
estágios 
Com uma única 
alimentação 
Processo 
contínuo 
Sem reciclo de células 
CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS BIORREATORES 
Classificação dos biorreatores 
Alimentação de meio apenas no 10 estágio. Nos 
demais reatores a alimentação é o liquido 
efluente do reator anterior. 
Com reciclo de células 
Múltiplos 
estágios 
Com múltiplas 
alimentações 
Processo 
contínuo 
Sem reciclo de células 
CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS BIORREATORES 
Classificação dos biorreatores 
Com reciclo de células 
Duas alimentações, uma de meio de cultura e a 
outra de efluente do fermentador anterior. 
Diferença 
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Processos de 
Fermentação 
 
Vantagens 
 
Desvantagens 
Descontinua Menor risco de contaminação, grande 
flexibilidade de operação, devido ao fato 
de, utilização dos reatores para 
fabricação de diferentes produtos; 
facilidade de determinar todos os 
materiais relacionados no mesmo lote. 
Baixos rendimentos e/ou produtividade; o substrato adicionado 
de uma só vez exerce efeitos de inibição, repressão, ou desvio 
do metabolismo celular a produtos que não interessam. 
Apresenta tempos mortos (tempo em que o fermentador não 
está em uso para o processo fermentativo propriamente dito; 
nos tempo de carga e descarga, lavagem e esterilização). 
Contínua Aumento da produtividade do processo, (redução 
dos tempos mortos); Obtenção de caldo fermentado 
uniforme, facilitando a recuperação do produto; 
menor necessidade de mão de obra; possibilidade 
de associação de outras operação contínuas na 
linha de produção; Maior controle; manutenção de 
células no mesmo estado fisiológico , facilitando o 
estado de regulação metabólico. 
Aplicação na fermentação alcoólica 
Maior investimento inicial; possibilidade ocorrências de 
mutações genéticas espontâneas, resultando na seleção de 
mutantes menos produtivos; 
Maior possibilidade de ocorrência de contaminações, por se 
tratar de um sistema essencialmente aberto, necessitando de 
manutenção das condições de assepsia; dificuldade de manter 
a homogeneidade no reator; dificuldade de operação (espuma, 
crescimento do microorganismo nas paredes do reator e nos 
sistemas de entrada e saída 
VANTAGENS E DESVANTAGENS