EB2 - Aula 4 - Tipos de cultivo e de biorreatores e modos de operação

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ENGENHARIA BIOQUÍMICA 2 (EB2)
Disciplina 107077 – 2019/1 – Horário: Quarta-feira (14 – 18 h) – AT 10 sala 239
Profa. Dra. Fernanda Perpétua Casciatori
Departamento de Engenharia Química (DEQ)
Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)
Etapas de tratamento físico
Etapas de tratamento bioquímico 
e/ou biológico
BIORREATORES
Etapas de tratamento 
físico
Substratos Bioprodutos
Operações unitárias Operações unitárias
Cálculo de reatores e
biorreatores
Coração dos bioprocessos nas indústrias
químicas, petroquímicas, farmacêuticas, de biotecnologia e de alimentos
Bioprocessos industriais
Upstream Downstream
Reatores → vasos projetados para conter reações de interesse e em escala industrial.
Reatores químicos → aqueles nos quais ocorrem reações químicas.
Biorreatores, reatores bioquímicos ou reatores biológicos → reatores nos quais 
ocorrem reações catalisadas por biocatalisadores, como enzimas ou células vivas.
Dois grandes grupos de biorreatores:
(Bio)reatores bioquímicos → ausência de células vivas; (bio)reatores enzimáticos.
(Bio)reatores biológicos → presença de células vivas; (bio)reatores fermentativos.
O que é um biorreator?
Reatores → vasos projetados para conter reações de interesse e em escala industrial.
Reatores químicos → aqueles nos quais ocorrem reações químicas.
Biorreatores, reatores bioquímicos ou reatores biológicos → reatores nos quais 
ocorrem reações catalisadas por biocatalisadores, como enzimas ou células vivas.
Dois grandes grupos de biorreatores:
(Bio)reatores bioquímicos → ausência de células vivas; (bio)reatores enzimáticos.
(Bio)reatores biológicos → presença de células vivas; (bio)reatores fermentativos.
O que é um biorreator?
Classificação dos Bioprocessos /
Processos Fermentativos
 Encontram-se na literatura várias formas possíveis de classificar os biorreatores, 
como por exemplo:
 quanto ao tipo de biocatalisador (células ou enzimas);
 quanto à configuração do biocatalisador (células/enzimas livres ou imobilizadas);
 quanto à fase predominante;
 quanto à forma de se agitar o líquido no reator; 
 quanto à forma de condução do processo fermentativo.
Bioprocessos industriais
Fermentação submersa (FSm)
• Ocorre em meio líquido; caldos 
fermentativos com substratos 
solúveis;
• Ex.: Caldo de cana-de-açúcar para 
produção de etanol.
Fermentação sólida (FES)
• O crescimento microbiano e a
formação de bioprodutos ocorrem
na superfície de matrizes sólidas;
• Matriz sólida atua como suporte do
microrganismo, dos substratos, do
bioproduto e da umidade.
Bioprocessos industriais
Fermentação submersa (FSm)
• Ocorre em meio líquido; caldos 
fermentativos com substratos 
solúveis;
• Ex.: Caldo de cana-de-açúcar para 
produção de etanol.
Fermentação sólida (FES)
• O crescimento microbiano e a
formação de bioprodutos ocorrem
na superfície de matrizes sólidas;
• Matriz sólida atua como suporte do
microrganismo, dos substratos, do
bioproduto e da umidade.
Tipos de biorreatores
 Grande variedade de possíveis configurações;
 O tipo e a capacidade variam conforme o processo;
 Escolha do biorreator tem impacto significativo no desempenho do processo;
 Volume de produção desejado e tipo de bioprodutos são pontos de partida;
 Minimização do custo e maximização de lucros;
 Requisitos de segurança e questões regulatórias;
 Necessidade de alta pureza e assepsia;
 Solução comprometida às diversas demandas.
Tipos de biorreatores
STR (Stirred-tank reactor)
 Biorreatores de tanque agitado
 Tanque cilíndrico com altura:diâmetro 2:1 ou 3:1;
 Chicanas (evitar vórtice);
 Agitador central dotado de turbinas;
 70 a 80 % do volume preenchido com líquido;
 Usados para enzimas e células livres e imobilizadas.
 Não adequados ao cultivo de células sensíveis ao cisalhamento 
(células animais e vegetais e fungos filamentosos).
Biorreatores agitados pneumaticamente
 Ausência de agitador mecânico
 Agitação do líquido promovida por borbulhamento de gás;
 Menores tensões de cisalhamento;
 Atraentes para o cultivo de células animas e vegetais
 Dois tipos principais:
 Coluna de bolhas;
 Air-lift.
Coluna de bolhas
 Aeração e mistura atingidas por aspersão de gás
 Requer menos energia que agitação mecânica.
 Aplicação industrial para produção de leveduras, cerveja e vinagre e 
para tratamento de águas residuárias.
 Biorreatores estruturalmente muito simples:
 Baixo custo de investimento inicial;
 Ausência de partes móveis;
 Em geral, altura > 2 x diâmetro;
 Boa transferência de calor e massa.
Air-lift
 Mistura também sem agitação mecânica
 Padrão de escoamento de líquido mais definido;
 Separação física das correntes com escoamentos ascendente e descendente; 
 Ar é aspergido dentro do tubo ou elevador;
 Altura cerca de 10 x diâmetro;
 Maior altura, melhor transferência de massa gás-líquido. 
 Frequentemente escolhidos para o cultivo de células vegetais e animais 
e para biocatalisadores imobilizados em suportes sensíveis.
PFR (Plug-flow reactor)
 Biorreator de escoamento pistonado
 Inóculo e meio de cultura misturados na entrada do sistema;
 Idealmente, a cultura flui a uma velocidade constante e não há mistura longitudinal;
 Variação da concentração de nutrientes e células ao longo do biorreator;
 Fácil manutenção (ausência de partes móveis);
 Maior conversão dentre os biorreatores contínuos;
 Difícil controle de temperatura (pontos quentes em reações exotérmicas).
Biorreatores com biocatalisadores imobilizados
 Biocatalisador imobilizado em suporte inerte
 Manutenção de elevadas concentrações celulares;
 Elevadas produtividades.
 Dois tipos principais:
 PBR (packed-bed, sem movimentação das partículas);
 FBR (fluidized-bed, intensa movimentação das partículas).
PBR (Packed-bed reactor)
 Biorreator de leito empacotado (ou de leito fixo)
 Tubo vertical empacotado com partículas catalíticas;
 Percolação de meio por entre as partículas;
 Danos mínimos devido a atrito com as partículas;
 Boa transferência de massa entre o meio líquido e o catalisador;
 Não apropriados para bioprocessos com grande liberação de gases;
 Ocasionalmente formam-se canais preferenciais de escoamento;
 Difícil substituir o catalisador.
FBR (Fluidized-bed reactor)
 Biorreator de leito fluidizado
 Expansão do leito devido a altas taxas de escoamento de líquido;
 Movimento ascendente das partículas;
 Ausência de pontos quentes (boa transferência de calor);
 Facilidade de substituição do catalisador;
 Usados no tratamento de resíduos com areia ou material simular suportando 
populações microbianas mistas;
 Também empregados com microrganismos floculantes em cervejarias e para 
produção de vinagres.
Biorreatores de membranas
 Mantém as células confinadas entre membranas semipermeáveis que permitem o fluxo de 
líquido mas não a passagem de células
 Separação entre os fluxos de nutrientes e produtos metabólicos;
 Simplifica as etapas de purificação (“downstream”).
 Dois tipos principais:
 Biorreator de membranas planas;
 Hollow-fiber.
Membranas planas
 Também designados reatores de perfusão
 Tensões de cisalhamento mínimas;
 Menores obstáculos difusionais que nos reatores de células imobilizadas.
 Indicados para o cultivo de células animais altamente sensíveis ao 
cisalhamento.
Hollow-fiber
 Biorreator de fibras ocas
 Feixe de fibras capilares de material semi-permeável;
 Escoamento laminar do meio de cultura.
 Células retidas na região anular entre as fibras;
 Empregados no cultivo de células tronco.
Biorreatores na FES
o Empregados industrialmente no oriente
o Uma ou várias bandejas em câmaras de fermentação
o Controle de temperatura e umidade relativa
 Vantagens:
 Simplicidade de construção
 Facilidade de ampliação de escala
 Desvantagens:
 Alto custo operacional
 Necessidade de grande área
 Elevada mão-de-obra para manuseio das bandejasbandejas
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Biorreatores com aeração superficial sem agitação. a – câmara 
climatizada; b – estufa; c – bandeja individual; d – saco plástico.
Biorreatores com aeração superficial e sem 
agitação (leito fixo em bandejas)
• Biorreatores de leito fixo nos quais o ar percola
através do leito
• Coluna vertical com placa perfurada no fundo 
suportando o leito de substrato
• Ar: alta UR; suprimento de O2; remoção de CO2; 
remoção de calor metabólico
• Produção de enzimas
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Biorreatores com aeração forçada e sem agitação (a) biorreator de leito 
empacotado; (b) biorreator de leito empacotado com duto central; (c) 
biorreator de leito empacotado com fluxo radial; (d) biorreator shortwide
(Mitchell et al., 2006). 
Biorreatores com aeração forçada e sem 
agitação (leito fixo empacotado)
 Vantagens:
o Baixa contaminação bacteriana
o Baixa exigência de manutenção
o Importante para o conhecimento do 
metabolismo do micro-organismo
o Ideais para microrganismos sensíveis às 
tensões de cisalhamento
 Desvantagens:
o Impossibilidade de retirada de amostra
o Heterogeneidade térmica e de umidade
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Biorreatores com aeração forçada e sem 
agitação (leito fixo empacotado)
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Biorreatores com aeração forçada e sem 
agitação (leito fixo empacotado)
o Alimentação de ar longitudinal 
(escoamento paralelo à superfície);
o Aspersores de água
 Movimentação:
o Tambor rotativo
o Tambor agitado
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Biorreatores com aeração superficial e agitação.
(a) biorreator de tambor rotativo; (b) biorreator de tambor agitado
Biorreatores com aeração superficial e com 
agitação (leito móvel)
 Aspectos positivos:
 Mistura das partículas visa uniformização de temperaturas e umidade
 Permite controle automático do processo
 Variação da velocidade e temperatura do ar
 Variação da temperatura da parede
 Variação da velocidade de rotação do tambor
 Variação da vazão e temperatura da água de aspersão
 Aspectos negativos:
 Projeto complexo, alto custo e requisitos de manutenção
 Usados somente para obter produtos de alto valor agregado
 Desaconselhado para fungos filamentosos intolerantes ao cisalhamento
Biorreatores com aeração superficial e com 
agitação (leito móvel)
Modos de operação de biorreatores
• Numerosas opções quanto à forma de operação de um dado biorreator;
• O modo de operação que conduzirá a um desempenho ótimo do processo é função 
das particularidades do material biológico empregado.
Modos de operação de biorreatores
• Numerosas opções quanto à forma de operação de um dado biorreator;
• O modo de operação que conduzirá a um desempenho ótimo do processo é função 
das particularidades do material biológico empregado.
• Divididos em três modos de operação principais:
• Biorreatores descontínuos (batelada e batelada alimentada);
• Biorreatores semi-contínuos;
• Biorreatores contínuos.
Biorreatores descontínuos
Operação em batelada alimentada
 Utilizada desde 1900 para regular crescimento de Saccharomyces cerevisiae;
 Um ou mais nutrientes são adicionados ao fermentador durante o cultivo, enquanto os produtos 
permanecem na dorna até o final da fermentação.
 Vazão de alimentação constante ou variável;
 Adição de mosto contínua ou intermitente.
 Permite controlar a concentração de substrato e/ou de produtos no fermentador.
Biorreatores semi-contínuos
1) Adição de meio de fermentação + inóculo;
2) Fermentação;
3) Retirada de parte do fermentado;
4) Adição de meio de cultivo novo (mesmo 
volume de fermentado retirado). 
Repete-se a sequência enquanto 
não houver queda da produtividade.
Vantagens:
Operação do fermentador por longos períodos 
sem precisar preparar novo inóculo;
Uma vez conhecidas as melhores condições de 
operação, produtividade maior.
Biorreatores semi-contínuos
1) Adição de meio de fermentação + inóculo;
2) Fermentação;
3) Retirada de parte do fermentado;
4) Adição de meio de cultivo novo (mesmo 
volume de fermentado retirado). 
Repete-se a sequência enquanto 
não houver queda da produtividade.
Vantagens:
Operação do fermentador por longos períodos 
sem precisar preparar novo inóculo;
Uma vez conhecidas as melhores condições de 
operação, produtividade maior.
Biorreatores contínuos
Biorreatores contínuos
Biorreatores contínuos tipo CSTR
Vantagens
• Simplicidade de construção;
• Controle de temperatura e limpeza interna 
facilitados;
• Aumento da produtividade (sem tempo morto);
• Fermentado uniforme (facilita “downstream”);
• Associação com outras operações contínuas;
• Emprego de controles avançados;
• Menor necessidade de mão-de-obra.
Biorreatores contínuos tipo CSTR
Vantagens
• Simplicidade de construção;
• Controle de temperatura e limpeza interna 
facilitados;
• Aumento da produtividade (sem tempo morto);
• Fermentado uniforme (facilita “downstream”);
• Associação com outras operações contínuas;
• Emprego de controles avançados;
• Menor necessidade de mão-de-obra.
Desvantagens 
• Maior investimento inicial;
• Menor taxa de conversão que reatores 
tubulares (PFR);
• Mutações genéticas espontâneas;
• Maior possibilidade de contaminações;
• Dificuldades de operação em 
determinadas situações (espuma, 
crescimento nas paredes do biorreator).
Biorreatores contínuos tipo CSTR
Propostas de biorreatores contínuos para 
FES – Rosca sem fim
Propostas de biorreatores contínuos para 
FES – Multi-camadas (PFR)
Características gerais dos reatores industriais
Características gerais dos reatores industriais
Vantagens e desvantagens dos reatores industriais
Vantagens e desvantagens dos reatores industriais
Obrigada!
fernanda.casciatori@ufscar.br
DEQ/UFSCar