Biorreatores - Biotecnologia

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FARMACOBIOTECNOLOGIA 
Biorreatores 
Biorreatores: recipientes onde ocorrem uma 
série de reações químicas catalisadas por 
Biocatalizadores (enzimas e células vivas) 
❖ Reatores Enzimáticos ou Bioquímicos: 
reações ocorrem na ausência de células 
vivas; 
 
❖ Reatores Biológicos: reações são 
processadas na presença de células vivas. 
 
 
1. Reatores em fase aquosa 
(fermentação submersa) 
 
A. Células / Enzimas livres: 
 
❖ Mecanicamente agitados: Tanque: 2:1 ou 
3:1; agitador no eixo central; Turbina de pás 
planas (Flat blade) 
Desvantagens: Maior consumo de energia, 
Maior nível de espuma, Maior cisalhamento. 
 
 
 
❖ Pneumaticamente agitados: agitação é feita 
pelo borbulhamento de um gás 
(normalmente ar), resultando menos 
cisalhamento. 
 
✓ Coluna de Bolhas ou Torre: 
Movimento do líquido é aleatório; 
 
✓ Reatores de air lift: movimentação 
cíclica do fluido, bem definida, por 
meio de dispositivos e arranjos 
internos. 
RISER é onde as bolhas de gás são liberadas. 
Ascensão das bolhas causa o fluxo de líquido 
na direção vertical. O líquido flui em direção 
descendente no DOWNCOMER. 
Vantagens: Baixa manutenção e baixo custo 
de operação, excelente transferência de calor 
e de massa, Maior durabilidade dos 
catalisadores. 
 
B. Células / Enzimas imobilizadas em suportes: 
Imobiliza-se o biocatalisador em um suporte 
inerte com finalidade de manutenção de 
elevadas concentrações celulares. 
❖ Reatores com leito fixo: onde a movimentação 
é praticamente inexistente, mantem as células 
confinadas entre membranas semipermeáveis, 
permitindo a passagem de líquido, mas não de 
células, separando metabólitos (produto 
desejado), contribuindo para a simplificação das 
etapas de purificação do produto. 
 
❖ Reatores com leito fluidizado: movimentação 
intensa das partículas por meio da injeção de 
ar 
Suporte: Não tóxico para as células; alta 
capacidade de retenção; resistente ao ataque 
químico microbiano; pouca sensibilidade às 
possíveis solicitações mecânicas; alta difusidade 
de substratos e produtos. 
 
 
Aplicações: 
✓ Tratamentos de resíduos (suportes sólidos 
– filtros biológicos); 
✓ Produção de enzimas (suportes 
gelatinosos); 
✓ Biotransformação de esteroides; 
✓ Produção tradicional do vinagre. 
 
 
2. Reatores em fase não-aquosa 
(fermentação semi-sólida) 
 Aplicados nos processos de crescimento de 
microrganismos sobre substratos sólidos sem a 
presença de água livre. 
Água presente encontra-se ligada à fase sólida, 
formando uma fina camada nas superfícies das 
partículas. 
Fase sólida 
✓ serve como suporte para o crescimento das 
células, atua como fonte de carbono, 
nitrogênio e demais componentes; 
✓ O meio é heterogêneo e os substratos nem 
sempre estão completamente acessíveis a 
microrganismo; 
✓ O ar deve atravessar os espaços vazios do 
meio a pressões relativamente baixas. 
H2O: fornece umidade e atividade microbiana 
 
 
3. Processos de esterilização 
Eliminação de todas as formas de vida do 
interior ou superfície do equipamento. 
Métodos físicos: Calor seco, calor úmido, 
radiação ultravioleta, radiação com partículas 
ionizantes (gama), ultrassom; 
Métodos químicos: Limpeza do equipamento 
com líquidos ou gases que matam os 
microrganismos ou danificam irreversivelmente 
sua capacidade de reprodução. (Hipoclorito, 
fenóis, formaldeído, óxido de etileno, ozônio, 
dióxido de enxofre, entre outros); 
Consequências da presença de um 
contaminante no processo: 
✓ Compromete seriamente o resultado; 
✓ Consomem os nutrientes competindo com 
o microrganismo de interesse: produção de 
enzimas, vitaminas, etanol; 
✓ Em alguns casos a eliminação de 
contaminantes pode inviabilizar 
economicamente o processo. 
 
A. CALOR ÚMIDO: Temperatura elevada + 
alto grau de umidade (meios de cultura, 
material de laboratório, embalagens, 
centrífugas, reatores bioquímicos...) 
 
❖ Desnatura irreversivelmente as 
proteínas; 
❖ Carameliza carboidratos produzindo, 
neste processo, produtos tóxicos. 
Ex.: Autoclaves (vapor sob pressão) 
transferência de calor favorecida por 
condensação ocorrida no material; rápido 
aumento de temperatura; manutenção do nível 
de hidratação da célula; 
 
 
 
 
B. CALOR ÚMIDO POR VAPOR DE ÁGUA 
SATURADO: método mais usado por ser de 
fácil obtenção, eficaz e de custo 
relativamente rápido. 
Obtido em um sistema de caldeiras e 
transportado por ductos de aço galvanizado 
ou inoxidável, isolados termicamente. 
 
✓ Esterilização de reatores vazios 
(esterilização descontínuas) 
✓ Esterilização de reatores com meio de 
cultura (descontínua) 
Reator c/ o mesmo microrganismo sempre: 20 
a 40 minutos; utilizam vários microrganismos: 
mais de 60 minutos; 
 
✓ Reatores com esterilização programável: 
Equipamentos sofisticados, 
completamente automatizados, pode-se 
escolher o tempo e a temperatura de 
esterilização. 
 
✓ Esterilização em autoclaves: Para reatores 
de pequeno porte (até 30L); Horizontais e 
verticais; Geração de vapor: elétrica, a gás 
ou externa (caldeira). 
 
 
 
Destruição por calor úmido depende de: 
✓ Microrganismo (espécie, linhagem, 
existência de esporos, idade da cultura); 
✓ Meio de cultivo (composição, pH, 
presença de sólidos em suspensão); 
✓ Temperatura. 
 
C. CALOR SECO: Destrói o microrganismo pela 
oxidação de seus constituintes químicos; 
Mais lenta e menos eficaz que o calor 
úmido; 
Calor transmitido muito lentamente; 
Nível de hidratação das células tende a 
diminuir o que, de certa forma, pode 
proteger as proteínas. 
 
D. RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA: É absorvida 
pelos ácidos nucléicos causando lesões. 
Agem diretamente sobre o DNA e RNA, 
alterando a estrutura dessas moléculas e 
provocando danos ao processo de 
manutenção e divisão celular. 
Seu efeito letal é proporcional à dose de 
radiação aplicada. 
Região do espectro com efeito 
esterilizante: 220 a 300nm 
Fatores que influenciam na sensibilidade 
microbiana a UV: pH; Estado fisiológico da 
célula (fase de crescimento); Constituição 
genética 
 
ESTERILIZAÇÃO DE AR 
✓ Calor Seco; 
✓ Filtração: 
a. Filtros de materiais fibrosos: lã de vidro.; 
Pouca aplicação industrial.; 
Microrganismos são retidos 
mecanicamente e em profundidade; 
A camada filtrante ocupa a parte central 
do recipiente; 
Passagem de ar através do filtro deve 
em temperatura maior que a ambiente 
para manter a camada aquecida e evitar 
a condensação de umidade. 
 
b. Filtros de membranas: elaboradas com 
materiais poliméricos, ocorre retenção 
de aerossol microbiano na superfície da 
membrana (0,45 µm), discos e 
cartuchos; 
c. Filtros HEPA: Sistemas de Fluxo laminar 
Montados com vários elementos 
filtrantes e separados por folhas de 
alumínio; 
Antes do uso deve-se proceder com a 
desinfecção das superfícies com etanol 
(70%) e luz UV ligada. 
 
4. Tipos de biotransformações 
 
• DESCONTÍNUA: Um inóculo por tanque, 
com recirculação de células; 
 
a. Clássica ou simples: desde a antiguidade 
uma das mais empregadas para a 
obtenção de vários produtos 
fermentados. 
Durante o processo acrescenta apenas 
oxigênio e ácido ou base para controle 
do pH; No fim do processo o produto é 
retirado e segue para o tratamento final; 
O fermentador é lavado e esterilizado 
para a próxima utilização. 
Volume constante ao longo do processo 
e Baixo rendimento (repressão 
catabólica) Menor risco de 
contaminação e Maior flexibilização 
Controle mais estreito da estabilidade 
genética dos microrganismos e Controle 
preciso de lotes 
É o método mais utilizado na indústria 
de alimentos 
 
b. Descontínua por batelada ou 
alimentada: um ou mais nutrientes são 
adicionados ao fermentador durante o 
cultivo, mas os produtos obtidos 
permanecem dentro do biorreator até o 
final do processo. 
Podem ser adicionados aditivos durante 
o processo; 
Vazão e volume constante ou variável; 
É possível controlar a concentração do 
substrato durante o processo e deslocar 
o metabolismo microbiano para uma 
determinada via metabólica,acumulando produto específico; 
Utilizada na produção de glicerol, 
acetona, butanol, ácido lático; 
Minimização da formação de produtos 
de metabolismo tóxicos; 
Superação dos problemas de 
estabilidade presentes em processos 
contínuos (Mutações, Contaminação, 
Estabilidade do plasmídeo) 
Adequação do processo fermentativo a 
condições operacionais (Produção de 
etanol) 
 
• SEMICONTÍNUA: Processo pouco utilizado, 
no qual são colocados no biorreator o meio 
de fermentação e o inóculo, com entrada e 
vazão constantes, seguindo operações na 
seguinte ordem: 
1. Operação 1: aguarda o término da 
fermentação; 
2. Operação 2: retira parte do meio 
fermentado, mantendo-se no reator o 
restante de mosto fermentado; 
3. Operação 3: Adiciona ao reator um 
volume de meio de fermentação igual 
ao volume de meio fermentado 
retirado na Operação 2. 
 
• CONTÍNUA: Possui alimentação contínua de 
meio de cultura a uma determinada vazão 
constante, 
Processo operado por longos períodos em 
estado estacionário; 
Vantagens: Aumento da produtividade, 
Obtenção de caldo fermentado uniforme; 
Manutenção das células em um mesmo 
estágio fisiológico; Menor necessidade de 
mão-de-obra. 
Desvantagens: Possibilidade de ocorrência 
de mutação genética espontânea; 
Dificuldade de manutenção de 
homogeneidade; Formação de espuma e 
crescimento de microrganismos nas 
paredes; Grande chance de contaminação. 
 
a. de múltiplas dornas: mosto é misturado 
ao microrganismo na primeira dorna; a 
passagem para as demais se dá num 
processo contínuo até chegar à última 
dorna onde a concentração de açucares 
estará a menor possível, podendo assim 
ser considerada a dorna morta; “vinho 
bruto” é centrifugado e enviado para o 
aparelho de destilação e o fermento 
tratado para novo carregamento. 
 
5. Fermentação em estado sólido 
Processo no qual a cultura dos microrganismos 
se dá sobre ou dentro de partículas de matriz 
sólida (material inerte), onde o conteúdo líquido 
ligado a ela está a um nível de atividade de água 
que, por um lado assegure o crescimento e 
metabolismo das células e, por outro, não 
exceda à máxima capacidade de ligação da água 
com a matriz sólida. 
Microrganismos mais utilizados: Principalmente 
fungos filamentosos (Rhizopus, Penicillium, 
Aspergillus, Fusarium); 
Substratos: os materiais utilizados são 
provenientes de matérias-primas, produtos e/ 
ou resíduos agroindustriais, têm tido a 
preferência nas pesquisas, devido ao baixo ou 
nenhum valor comercial. Pode incorporar 
solução nutriente ao substrato sólido, visando 
adequá-lo melhor às condições nutricionais do 
microrganismo para a fermentação desejada. 
 
• Características importantes do substrato: 
alto grau de acessibilidade do 
microrganismo a todo o meio - Porosidade 
(capacidade de absorção de água), o 
tamanho e o formato das partículas 
(Granulometria do meio); 
Para facilitar acessibilidade e atuação dos 
microrganismos sobre o meio, podem ser 
empregados os processos de: 
• moagem e peneiramento, visando 
adequar o meio à granulometria mais 
adequada do processo; 
• suplementação de nutrientes e correção 
de pH; 
• hidrólise ácida ou alcalina; 
• Gelatinização (vaporização); 
• Esterilização. 
 
6. Técnicas de recuperação de produtos 
O processo pode ser dividido em 4 etapas 
principais: 
1. separação de células e seus fragmentos 
do meio de cultivo (clarificação); 
2. concentração e/ou purificação de baixa 
resolução, compreende a separação da 
molécula alvo, em relação a moléculas 
com características físico-químicas 
significativamente diferentes; 
3. purificação de alta resolução, 
compreende a separação de classes de 
moléculas com algumas características 
físico-químicas semelhantes, 
4. operações para acondicionamento final 
do produto. 
Para produtos associados às células, é 
necessário efetuar o rompimento celular, 
efetuado sobre o adensado de células 
obtido após a clarificação do meio de 
cultivo. 
Sucesso do processo fermentativo depende 
do Microrganismo, Meio de cultura, Forma 
de condução do processo e Etapas de 
recuperação do produto. 
A recuperação do produto demanda cerca 
de 50 % dos custos envolvidos no processo 
fermentativo, ou qualquer outro 
bioprocesso: Extração, separação, 
purificação, controle de qualidade. 
A purificação depende do uso da molécula 
alvo, suas características físico-químicas, 
bem como das impurezas. 
1. Clarificação: separação de células 
suspensas de um meio de cultivo 
(primeira operação do processo de 
purificação). O meio resultante, isento de 
células, é denominado clarificado ou 
filtrado. 
 
• Filtração convencional aplica-se à 
clarificação de grandes volumes de 
suspensões diluídas de células, 
produtos extracelulares e situações 
nas quais a assepsia não é necessária. 
A suspensão, sob pressão, é 
direcionada a um meio filtrante, o 
que atravessa o meio filtrante é 
denominada filtrado, e da contínua 
deposição das células sobre o meio 
filtrante, resulta a formação de uma " 
torta de filtração ". 
Também filtração tangencial, 
processos de microfiltração nos quais 
o fluido de alimentação escoa 
tangencialmente à superfície do meio 
filtrante. 
• Centrifugação: células em suspensão 
em um meio líquido sofrem 
sedimentação por ação da força da 
gravidade. A centrifugação 
compreende a aceleração dessa 
sedimentação, por ação de um 
campo gravitacional centrífugo. 
 
 
 
 
 
 
 
2. Rompimento celular: produtos associados 
às células requerem o rompimento ou a 
permeabilização destas através de 
operações conduzidas sobre o adensado 
obtido após a clarificação. 
Para se definir o processo a ser 
empregado, alguns fatores são levados 
em consideração, como: rendimento, 
especificidade, necessidade de controle 
de temperatura, custo da operação; 
Os métodos podem ser classificados 
como: mecânicos (homogeneizador de 
alta pressão, moinho de bolas, ultrassom), 
não mecânicos (choque osmótico, 
congelamento e descongelamento, 
secagem); químicos (álcalis, solventes, 
detergentes e ácidos) e enzimáticos (lise 
enzimática ou inibição da síntese da 
parede celular); 
 
 
• Cromatografia: os solutos de um meio 
líquido (proteínas, peptídeos, 
anticorpos) são adsorvidos ou retidos 
em um leito de material poroso. A 
posterior remoção gradual dos solutos 
por ação de uma fase líquida móvel 
(eluente), resulta na separação das 
diferentes moléculas. 
Identificação de substâncias e 
separação-purificação de misturas. 
Propriedades como solubilidade, 
tamanho e massa, envolve uma série de 
processos de separação de misturas. 
Acontece pela passagem de uma mistura 
através de duas fases: uma estacionária 
(fixa) e outra móvel. 
A grande variabilidade de combinações 
entre a fase móvel e estacionária faz 
com que a cromatografia tenha uma 
série de técnicas diferenciadas.