biorreatores_com_aplicacao_a_engenharia_de_alimentos

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Brasília-DF. 
Biorreatores com aplicação à 
engenharia de alimentos
Elaboração
Tânya Sulamytha Bezerra
Produção
Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração
Sumário
APRESENTAÇÃO ................................................................................................................................. 4
ORGANIZAÇÃO DO CADERNO DE ESTUDOS E PESQUISA .................................................................... 5
INTRODUÇÃO.................................................................................................................................... 7
UNIDADE I
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES ......................................................................................................... 9
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES. BIORREATORES IDEAIS E REAIS ............................................. 9
CAPÍTULO 2
COMPARAÇÃO ENTRE OS VÁRIOS TIPOS DE BIORREATORES E PROCESSOS, OPERAÇÃO BATCH, 
OPERAÇÃO FED-BATCH, OPERAÇÃO CONTÍNUA .................................................................... 42
CAPÍTULO 3
PRODUÇÃO DE CALOR DURANTE O CRESCIMENTO CELULAR, AGITAÇÃO, TRANSFERÊNCIA DE 
OXIGÊNIO E FORMAÇÃO DE ESPUMA .................................................................................... 44
UNIDADE II
TIPOS DE BIORREATORES COM APLICAÇÃO À ENGENHARIA DE ALIMENTOS .......................................... 47
CAPÍTULO 1
SELEÇÃO DO BIORREATOR ..................................................................................................... 47
CAPÍTULO 2
BIORREATORES IDEAIS: EQUAÇÕES DE BALANÇO MATERIAL. AERAÇÃO E AGITAÇÃO DE 
BIORREATORES ....................................................................................................................... 50
CAPÍTULO 3
CARACTERÍSTICAS PRÉ-DETERMINADAS PELAS PROPRIEDADES DO MEIO E MICRORGANISMO . 53
CAPÍTULO 4
BIORREATORES NÃO CONVENCIONAIS. BIORREATORES HETEROGÊNEOS: FERMENTAÇÃO EM 
MEIO SÓLIDO. ENZIMAS E CÉLULAS IMOBILIZADAS .................................................................. 67
CAPÍTULO 5
BIORREATORES SUBMERSOS E SUAS CARACTERÍSTICAS ............................................................ 92
CAPÍTULO 6
BIORREATORES DE LEITO FIXO ............................................................................................... 100
CAPÍTULO 7
BIORREATORES DE LEITO FLUIDIZADO. BIORREATORES DE PLACAS SEMIPERMEÁVEIS ............... 103
UNIDADE III
ESTERILIZAÇÃO E VARIAÇÃO DE ESCALA ............................................................................................ 106
CAPÍTULO 1
ESTERILIZAÇÃO: ESTERILIZAÇÃO DO EQUIPAMENTO; ESTERILIZAÇÃO DO MEIO DE FERMENTAÇÃO; 
ESTERILIZAÇÃO DO AR ......................................................................................................... 106
CAPÍTULO 2
VARIAÇÃO DE ESCALA ......................................................................................................... 113
PARA (NÃO) FINALIZAR ................................................................................................................... 118
REFERÊNCIAS ................................................................................................................................ 119
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Apresentação
Caro aluno
A proposta editorial deste Caderno de Estudos e Pesquisa reúne elementos que se 
entendem necessários para o desenvolvimento do estudo com segurança e qualidade. 
Caracteriza-se pela atualidade, dinâmica e pertinência de seu conteúdo, bem como pela 
interatividade e modernidade de sua estrutura formal, adequadas à metodologia da 
Educação a Distância – EaD.
Pretende-se, com este material, levá-lo à reflexão e à compreensão da pluralidade 
dos conhecimentos a serem oferecidos, possibilitando-lhe ampliar conceitos 
específicos da área e atuar de forma competente e conscienciosa, como convém 
ao profissional que busca a formação continuada para vencer os desafios que a 
evolução científico-tecnológica impõe ao mundo contemporâneo.
Elaborou-se a presente publicação com a intenção de torná-la subsídio valioso, de modo 
a facilitar sua caminhada na trajetória a ser percorrida tanto na vida pessoal quanto na 
profissional. Utilize-a como instrumento para seu sucesso na carreira.
Conselho Editorial
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Organização do Caderno 
de Estudos e Pesquisa
Para facilitar seu estudo, os conteúdos são organizados em unidades, subdivididas em 
capítulos, de forma didática, objetiva e coerente. Eles serão abordados por meio de textos 
básicos, com questões para reflexão, entre outros recursos editoriais que visam a tornar 
sua leitura mais agradável. Ao final, serão indicadas, também, fontes de consulta, para 
aprofundar os estudos com leituras e pesquisas complementares.
A seguir, uma breve descrição dos ícones utilizados na organização dos Cadernos de 
Estudos e Pesquisa.
Provocação
Textos que buscam instigar o aluno a refletir sobre determinado assunto antes 
mesmo de iniciar sua leitura ou após algum trecho pertinente para o autor 
conteudista.
Para refletir
Questões inseridas no decorrer do estudo a fim de que o aluno faça uma pausa e reflita 
sobre o conteúdo estudado ou temas que o ajudem em seu raciocínio. É importante 
que ele verifique seus conhecimentos, suas experiências e seus sentimentos. As 
reflexões são o ponto de partida para a construção de suas conclusões.
Sugestão de estudo complementar
Sugestões de leituras adicionais, filmes e sites para aprofundamento do estudo, 
discussões em fóruns ou encontros presenciais quando for o caso.
Praticando
Sugestão de atividades, no decorrer das leituras, com o objetivo didático de fortalecer 
o processo de aprendizagem do aluno.
7
Atenção
Chamadas para alertar detalhes/tópicos importantes que contribuam para a 
síntese/conclusão do assunto abordado.
Saiba mais
Informações complementares para elucidar a construção das sínteses/conclusões 
sobre o assunto abordado.
Sintetizando
Trecho que busca resumir informações relevantes do conteúdo, facilitando o 
entendimento pelo aluno sobre trechos mais complexos.
Para (não) finalizar
Texto integrador, ao final do módulo, que motiva o aluno a continuar a aprendizagem 
ou estimula ponderações complementares sobre o módulo estudado.
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Introdução
Define-se biorreator como sendo um reator químico convencional adaptado para operar 
com biocatalisadores (células vivas: microbianas, animais ou vegetais, e enzimas).
Biorreatores são aparelhos capazes de oferecer ambiente propício a reações catabólicas 
ou metabólicas de biocatalisadores, com ambientes controlados em temperatura, pH, 
umidade, filtragem do ar e nutrição adequada.
Os biorreatores podem ser operados de diferentes maneiras, apresentando características 
bastante distintas no que se refere aos fenômenos de transporte que ocorrem no reator 
(calor, massa e quantidade de movimento).
Entender toda a dinâmica dos mais variados tipos de biorreatores e suas funcionalidades 
ainda constitui um grande desafio para os pesquisadores e a indústria.
A biotecnologia, por meio dos bioprocessos, se beneficia do emprego dos biorreatores 
na produção para:
 » fermentação aeróbia ou anaeróbia na indústria (exemplos: cerveja, 
vinagre, vinho, entre outros produtos);
 » mineralização de resíduos industriais (redução de compostos tóxicos em 
seus constituintes minerais);
 » tratamento de áreas contaminadas com hidrocarbonetos de petróleo por 
meio de biodigestão enzimática;
 » cultura e manutenção de vírus para pesquisas, vacinas e fármacos;
 » produção de anticorpos, hormônios e metabólitos celulares de interesse 
científico e de impacto social.
Objetivos
 » Distinguir os principais tipos de biorreatores.
 » Diferenciar biorreatores ideais e não ideais.
 » Compreender a esterilização. 
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UNIDADE IINTRODUÇÃO AOS 
BIORREATORES
CAPÍTULO 1
Introdução aos biorreatores. 
Biorreatores ideais e reais
Introdução aos biorreatores
Com o avanço da biotecnologia, os produtos oriundos da biotransformação como 
enzimas,corantes, hormônios, antibióticos e anticorpos são comuns. Outra área em 
crescimento está relacionada com a aplicação das técnicas de cultura de células e tecidos 
vegetais, visando à produção de mudas (micropropagação) em larga escala. Embora 
com todos esses avanços, a utilização comercial do potencial da biotecnologia moderna 
para muitas aplicações permanece limitada.
O sucesso de um processo biotecnológico depende da combinação de quatro elementos: 
microrganismos, meio de cultura, condição do processo e recuperação do produto 
(Figura 1). 
Figura 1. Os pilares de sucesso da tecnologia de fermentação.
Fonte: Faleiro e Andrade (2011).
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UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Bioprocesso é a aplicação industrial de reações ou vias biológicas mediadas por 
células vivas inteiras de animais, plantas, microrganismos ou enzimas sobre condições 
controladas para a biotransformação de matérias-primas em produtos (Figura 2).
Figura 2. Esquema simplificado de um típico bioprocesso.
Fonte: Pereira Jr. (2008).
A figura 2 apresenta um esquema geral de um bioprocesso típico, ressaltando que 
a forma de condução do bioprocesso, a configuração do biorreator, assim como, a 
definição das etapas de recuperação do produto também se constituem em aspectos 
importantes para se garantir sucesso na operação destes processos.
Podemos dividir os bioprocessos, em três estágios (Figura 3). A etapa que antecede 
a transformação é denominada de à montante (upstream), seguida da etapa de 
transformação propriamente dita e, finalmente, a etapa de à jusante (downstream). 
Há autores que incluem a transformação na etapa de à montante. No entanto, por 
envolverem diferentes procedimentos, optou-se pela divisão de um bioprocesso em três 
etapas e não em duas.
11
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Figura 3. Etapas fundamentais de um típico bioprocesso.
Fonte: Pereira Jr. (2008).
O bioprocesso também pode ocorrer sem resultar em um produto direto, tais como 
biorremediação, desintoxicação de resíduos ou de efluentes com ou sem subproduto ou 
derivados.
O produto do bioprocesso pode ser um alimento, medicamento ou composto industrial, 
em escala laboratorial ou em escala industrial.
Os primeiros biorreatores derivaram dos equipamentos denominados fermentadores, 
os quais foram, há muitas décadas, desenvolvidos para cultivo de fungos e bactérias 
para fins industriais.
Os fermentadores, por serem utilizados em escala industrial, apresentavam alta 
capacidade de volume, podendo chegar a em torno dos 20.000 litros de líquido nutritivo. 
Esses sistemas ainda dispunham de um aparato tecnológico avançado com sistemas de 
injeção de diversos gases (oxigênio, nitrogênio e gás carbônico, entre outros), agitação 
mecânica do líquido, reposição automatizada de nutrientes no meio nutritivo e sistema 
de luz artificial para o melhor desenvolvimento do material inoculado no líquido de 
cultura. 
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UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Os fermentadores dispõem, para melhor controle de variáveis ambientais do crescimento 
de células e microrganismos, de monitoramento do pH, temperatura, crescimento de 
espuma, condutividade elétrica e sensores do teor de oxigênio dissolvido no meio de 
cultura (no caso de cultivo aeróbio).
Historicamente, os biorreatores são mais conhecidos por fermentadores e estão 
relacionados com o crescimento e a multiplicação de células e microrganismos para a 
produção de alcaloides, antibióticos, entre outros derivados do metabolismo secundário. 
Os biorreatores, também chamados de reatores bioquímicos ou reatores biológicos, 
são reatores químicos nos quais ocorre uma série de reações químicas catalisadas 
por biocatalisadores que podem ser enzimas ou células vivas, tais como microbianas, 
animais ou vegetais. 
Assim, o reator é o espaço físico delimitado, onde processos físicos, químicos ou 
biológicos são conduzidos em condições controladas, visando atingir um propósito 
definido.
Os reatores biológicos são tanques, em geral fechados, com dispositivos para entrada 
de soluções de matérias-primas e catalisadores e saída de produto, com dispositivos de 
agitação e mistura, e sistemas de circulação de vapor (para esterilização do conteúdo 
e do próprio tanque), e de circulação de água (para extração de calor da biorreação) 
(Figura 4).
Figura 4. Esquema genérico de um biorreator.
Fonte: Labvirtual.
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INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Os biocatalisadores poderão ser células ou biomoléculas dotadas de poder catalítico 
(enzimas) designando-se genericamente por fermentadores, no primeiro caso, e 
reatores enzimáticos ou, mais genericamente, biorreatores, no segundo caso.
Os biorreatores com microrganismos, dentre aqueles com células vivas, são os mais 
difundidos e empregados, desde a década de 1940, para a produção industrial de uma 
grande diversidade de produtos, tais como enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidos 
orgânicos, solventes, ou ainda no tratamento de resíduos orgânicos industriais ou 
domésticos.
Os reatores com microrganismos, expressão frequentemente verbalizada, estão 
diretamente relacionados ao tipo de microrganismo selecionado. Esses reatores podem 
ter caraterísticas bastante distintas no que se refere aos fenômenos de transporte (calor, 
massa e quantidade de movimento) que ocorrem no reator. Deste modo, reatores que 
operam com microrganismos unicelulares como bactérias e leveduras possuem, em 
geral, um comportamento reológico distinto daqueles que utilizam fungos filamentosos 
(bolores).
O biorreator de tanque agitado tem sido aplicado extensamente para cultivos aeróbios. 
Entretanto, esse tipo de reator não é o mais adequado para o cultivo de fungos 
filamentosos. Dentre as razões para isso, encontra-se a ocorrência de danos ao micélio 
devido ao alto grau de cisalhamento provocado pelo nível de agitação requerido para 
transferência de oxigênio. Além disso, a energia mecânica necessária para realizar a 
transferência de massa é elevada e antieconômica para equipamentos de grande porte, 
sendo, também, dissipada no fluido na forma de calor, que precisa ser removido para 
controle da temperatura.
Existem biorreatores que operam com altas concentrações celulares (high cell density 
cultures), o que favorece elevadas velocidades de conversão do substrato em produto. 
Nos biorreatores que aplicam microrganismos recombinantes busca-se operar com 
concentrações celulares da ordem de 100g/L, o que exige condições especiais de 
operação. Haja vista a possibilidade de baixa produção específica da proteína heteróloga 
de interesse.
Os biorreatores com células animais são empregados para a produção de uma série 
de produtos ligados à saúde humana e animal, tais como vacinas virais, anticorpos 
monoclonais, hormônios e fatores de crescimento. No que se refere às células vegetais, 
os biorreatores podem ser conceituados como equipamentos para cultivo sob imersão 
temporária ou permanente de células, gemas, embriões ou qualquer tipo de propágulo 
que possa ser utilizado na micropropagação. Há exemplos de produção de princípios 
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UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
ativos de medicamentos, como morfina e quinina, e outros produtos de utilização na 
indústria cosmética. 
Observa-se que os biorreatores que operam com as células animais e vegetais apresentam 
características peculiares em relação às células microbianas, destacando-se entre elas a 
elevada sensibilidade ao cisalhamento. Em virtude disto, é imprescindível a utilização 
de biorreatores específicos para diminuir a tensão de cisalhamento, tais como reatores 
airlift, ou os reatores com membranas.
Modernos biorreatores têm sido construídos para as mais diversas necessidades 
de produção, com sistemas de controle para todas as variáveis de processo e com 
uma imensa gama de acessórios (Figura 5), projetados para operação em condições 
assépticas, com sistemas de autolimpeza e de esterilização local.
Figura 5. Acessórios utilizados na construção de um biorreator: controladores, sistemasde amostragem, válvulas, 
sistema de limpeza automático. 
Embora com todos esses avanços, a utilização comercial do potencial da biotecnologia 
moderna para muitas aplicações permanece limitada. O conhecimento insuficiente da 
engenharia de bioprocessos é um dos vários limitantes do sucesso de projetos e do 
aumento de escala das pesquisas em laboratório.
A capacidade dos biorreatores é bastante variável, conforme o processo em questão, 
podendo se distinguir três grandes grupos no que se refere à escala de produção 
industrial. Biorreatores da ordem de algumas centenas de litros até 1 a 2 m3 de capacidade 
são empregados no cultivo de microrganismos patogênicos, ou para o crescimento de 
células animais ou vegetais que, em geral, estão direcionadas a produção de produtos 
ligados à área de saúde. 
A escala intermediária é aquela na qual se opera com biorreatores da ordem de 
algumas dezenas de metros cúbicos até 100 a 200 m3. Sua aplicação está direcionada 
especialmente para a produção de enzimas, antibióticos e vitaminas. 
15
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Os processos que exigem poucos ou até mesmo nenhum cuidado de assepsia, como é o 
caso da fermentação alcoólica ou do tratamento biológico de resíduos, podem abranger 
biorreatores com alguns milhares de metros cúbicos de capacidade. 
Um biorreator precisa ter boa capacidade de mistura para se atingir uma distribuição 
homogênea do oxigênio transferido, bem como de outros nutrientes, para o seio do 
fluido. A hidrodinâmica do biorreator também afeta seu desempenho em parâmetros 
tais como a transferência de calor e massa. A natureza dos fluidos afeta o transporte de 
oxigênio e o fenômeno da mistura.
Os biorreatores podem se agrupar em duas amplas categorias:
 » Categoria 1: biorreatores nos quais as reações ocorrem na ausência de 
células vivas, ou seja, são tipicamente os reatores enzimáticos.
 » Categoria 2: biorreatores nos quais as reações se processam na presença 
de células vivas. 
Alguns autores se referem à primeira categoria como “reatores bioquímicos”, e aplica 
a denominação “reatores biológicos” apenas aos reatores que operam com as células 
vivas.
Muitos tipos de biorreatores são empregados em processos biotecnológicos. 
O projeto e o desenvolvimento de bioprocessos obedecem a uma sequência, cujo 
centro é representado por um biorreator. Seguido pelo desenvolvimento dos sistemas 
de separação e purificação dos produtos. Os sistemas de troca de calor, utilitários e o 
sistema de controle completam o processo. 
O projeto do biorreator, por sua vez, envolve vários aspectos, como a cinética das 
reações, os fenômenos de transporte, as formas de operação, além das questões da 
estrutura física.
A fase de projeto é uma etapa determinante e pode envolver uma série de questões mais 
ou menos complexas. Assim, no projeto do biorreator é necessário:
 » obtenção de dados químicos e físico-químicos para a caracterização da 
reação, ou seja, dados termodinâmicos e cinéticos das reações desejadas 
e das reações secundárias obtidas quer teórica ou experimentalmente;
 » influência do tipo de escoamento, mistura, transferência de calor;
 » mecanismo controlador do sistema reacional (cinético, transferência de 
massa ou de calor);
16
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
 » seleção do tipo de reator;
 » seleção das condições operatórias (grau de seleção, seletividade e 
rendimento), controle da reação e estabilidade dos produtos finais 
obtidos; 
 » seleção dos materiais;
 » projeto mecânico;
 » aspectos econômicos (avaliação dos custos de capital e de produção);
 » requisitos de manutenção.
A produtividade é importante no planejamento econômico do funcionamento das 
indústrias, comparação entre diferentes reatores e avaliação da fermentação. Essa 
variável pode ser definida como a quantidade de produto de interesse gerada por unidade 
de tempo, sendo que a massa do produto gerada por unidade de tempo (exemplo, kg/h) 
é uma forma usual de expressar a produtividade.
O design dos biorreatores faz-se, porém, em obediência a princípios comuns, requerendo 
balanços de massa e de energia com a inclusão da lei cinética de crescimento ou de 
produção de produto, que pode ou não estar associado ao crescimento.
A concepção racional e a economia de um processo, globalmente entendido, assumem, 
assim, uma importância vital.
Vários tipos de biorreatores foram desenvolvidos de acordo com o produto requerido e 
as exigências dos agentes biológicos empregados. Quando a substância a ser catalisada 
é líquida e homogênea são usados biorreatores para processos submersos que, em 
escala laboratorial, são frascos fechados esterilizados com ou sem agitação e controle 
de temperatura, pH, produto formado, aminoácidos disponíveis, consumo de fontes de 
carbono e nitrogênio.
Se a substância é sólida o controle de todos os parâmetros é dificultado pela 
heterogeneidade do meio, e os biorreatores podem ter formas diferentes e serem abertos 
ou fechados. Tambores, rotativos ou não, tubos imersos em água para melhor controle 
de transferência de temperatura e bandejas fechadas ou abertas são considerados 
reatores estáticos, com ou sem aeração forçada. 
Dentre as várias classificações indicadas na literatura, os biorreatores podem se 
classificarem quanto: 
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INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
 » ao tipo de biocatalisador (células ou enzimas);
 » à configuração do biocatalisador (células/enzimas livres ou imobilizadas); 
 » à forma de se agitar o líquido no reator;
 » à escala.
A classificação em relação à escala está dividida em:
 » Laboratório ou de bancada: utilizados para gerar dados cinéticos 
e demais informações sobre a reação química (seletividade, conversão 
etc.) que por sua vez são utilizados no desenvolvimento de modelos 
matemáticos e de reatores industriais.
 » Semi-piloto
 » Piloto: utilizada para obter informações que permitam entender melhor 
os problemas que poderão ocorrer em um processo industrial real e para 
assegurar que o modelo desenvolvido em estudos de laboratório pode ser 
relacionado (e até extrapolado) para o projeto de um reator em escala 
industrial.
 » Semi-industrial
 » Industrial: utilizado para produção em escala comercial. Pode 
apresentar algumas características diferentes da planta piloto (atividade 
catalítica, estabilidade etc.).
A capacidade dos biorreatores industrial é bastante variável (Tabela 1), conforme o 
processo em questão. Podem ser distintos em três grupos:
 » Pequena escala: centenas de litros até 1 a 2 m3 de capacidade. Utilizados 
no cultivo de microrganismos patogênicos e crescimento de células 
animais ou vegetais, objetivando a produção de produtos ligados à área 
da saúde.
 » Escala intermediária: dezenas de m3 a 100-200 m3 de capacidade. 
Utilizados na produção de enzimas, antibióticos e vitaminas.
 » Grande escala: milhares de m3 de capacidade. Utilizados em 
fermentação alcoólica ou tratamento de resíduos. Lembre-se que 1 m3 
equivale a 1000L.
18
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Tabela 1. Dimensões de fermentadores para alguns processos fermentativos.
Volume do fermentador (m3) Produto
1-20 Enzimas de diagnóstico, substâncias para biologia molecular.
40-80 Algumas enzimas e antibióticos.
100-150 Penicilina, antibióticos aminoglicosídicos, proteases, amilases, 
transformação de esteroide, aminoácidos.
450 Aminoácidos (Ácido glutâmico).
Fonte: Schmidell et al. (2011).
Principais diferenças que ocorrem numa mudança de escala:
 » Forma: diferenças na agitação, curto-circuito em escoamento de fluidos 
ou zonas de estagnação.
 » Modo de operação: diferenças na distribuição do tempo de residência.
 » Razão superfície/volume, padrões de escoamento e geometria: 
resultando em diferentes gradientes de concentração e temperatura.
 » Materiais de construção: resultando em diferentes níveis de 
contaminação.
 » Estabilidade do fluxo, adição/remoção de calor: efeitos de parede 
e de bordas.
Classificação quanto à natureza das fases(Tabela 2):
 » Reatores Homogêneos (1 fase).
 › Ex.: reações em fase gasosa, líquido-líquido (catalisador).
 » Reatores Heterogêneos (2 ou mais fases).
 › Ex.: gás-sólido, gás-líquido, gás-líquido-sólido (catalisador).
Tabela 2. Natureza de fases.
Catalíticos Não catalíticos
Homogêneos Maioria das reações em fase gasosa.
Reações rápidas, como a combustão de gases.
Maioria das reações em fase líquida.
Reações em sistemas coloidais.
Reações enzimáticas e microbianas.
Heterogêneos
Queima de carvão.
Ataques ácidos em sólidos.
Absorção gás-líquido com reação.
Redução de minério de ferro.
Síntese de amônia.
Oxidação da amônia para produzir ácido nítrico.
Craquemento de óleo cru.
Oxidação de SO
2
 a SO
3
.
Fonte: Fábrega (2012).
19
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Outra classificação, conhecida como classificação mista, é baseada no tipo de 
biocatalisador empregado (enzima, microrganismo aeróbio ou anaeróbio) e na 
configuração deste (livre, imobilizado ou confinado entre membranas). É considerada 
bem abrangente em relação a outra porque engloba o tipo de biocatalisador e o modo 
como vai proceder nas reações químicas. 
A classificação mista é dividida em dois grandes grupos, como biorreatores em fase 
aquosa e biorreatores em fase não aquosa. As suas subdivisões são as seguintes:
1. Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
 › Células/enzimas livres:
 · Reatores agitados mecanicamente (STR: stirred tank reactor).
 · Reatores agitados pneumaticamente.
 · Coluna de bolhas (bubble column).
 · Reatores air-lift.
 · Reatores de fluxo pistonado (plug-flow).
 › Células/enzimas imobilizadas em suportes:
 · Reatores com leito fixo.
 · Reatores com leito fluidizado.
 · Outras concepções.Células/enzimas confinadas entre membranas:
 · Reatores com membranas planas.
 · Reatores de fibra oca (hollow-fiber).
2. Reatores em fase não aquosa (fermentação semissólida):
 › Reatores estáticos (reatores com bandejas).
 › Reatores com agitação (tambor rotativo).
 › Reatores com leito fixo.
 › Reatores com leito fluidizado gás-sólido.
20
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Em suma, existem diversos tipos de reatores, de acordo com o modo de operação 
(contínuo ou por bateladas), geometria do eletrodo (plana ou tridimensional), a 
movimentação do eletrodo (estático ou dinâmico), a extração do produto (contínua ou 
intermitente), além do material de construção.
Verificam-se inúmeras possiblidades de variedade de configurações aceitáveis para os 
biorreatores. Todavia, pode-se assegurar que os mais amplamente utilizados são os 
reatores agitados mecanicamente (STR), conhecidos também como reatores de mistura, 
constituindo cerca de 90% do total de reatores utilizados industrialmente.
O biorreator do tipo STR consiste em um tanque cilíndrico, no qual são comuns relações 
entre a altura e o diâmetro de 2:1 ou 3:1. Normalmente o reator é equipado com chicanas 
(baffles), cuja função é evitar a formação de vórtice (movimentos espirais ao redor de 
um centro de rotação) durante a agitação do líquido. O agitador é montado num eixo 
central ao fermentador, possuindo, ao longo de sua altura, uma série de turbinas, as 
quais podem ser de diferentes tipos, sendo, porém a mais amplamente utilizada é a 
turbina de pás planas (flat blade), também conhecida corno turbina Rushton. 
Os biorreatores agitados pneumaticamente se caracterizam basicamente pela ausência 
do agitador mecânico, sendo a agitação do líquido efetuada apenas pelo borbulhamento 
de um gás (normalmente ar) no reator. Como consequência da ausência do agitador 
mecânico, resulta, nesse tipo de reator, menores tensões de cisalhamento, o que os 
torna atraentes para o cultivo de células animais e vegetais. 
Os biorreatores coluna de bolhas (bubble column) e os biorreatores air-lift se distinguem 
pela movimentação do líquido. Os biorreatores air-lift apresentam uma movimentação 
cíclica do fluido, bem definida, através de dispositivos e arranjos internos construídos 
especialmente para esse propósito. Já os biorreatores coluna de bolhas apresentam 
um movimento aleatório do líquido no biorreator. Ressalta-se que os biorreatores tipo 
coluna de bolhas são frequentemente chamados de reatores tipo torre, enquanto que os 
reatores air-lift são chamados loop reactors.
Nos reatores de fluxo pistonado (plug-flow), o inóculo e o meio de cultura são misturados 
na entrada do sistema, sendo que idealmente a cultura flui com uma velocidade 
constante, sem ocorrer mistura longitudinal (backrnix). Há, portanto, uma variação da 
concentração dos nutrientes e das células ao longo do comprimento do reator, sendo 
este sistema comparável a um processo contínuo realizado em múltiplos estágios, com 
um elevado número de reatores ligados em série.
21
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Existem aqueles biorreatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado em um 
suporte inerte, corno, por exemplo, alginato, K-carragena, pectina, ou ainda materiais 
cerâmicos, vidro, sílica e outros. 
A finalidade básica da utilização de células imobilizadas num biorreator é a manutenção 
de elevadas concentrações celulares, podendo-se atingir, consequentemente, elevadas 
produtividades no processo em questão. 
Em relação à movimentação relativa das partículas (pellets), distinguem-se os 
biorreatores de leito fixo, onde a movimentação é praticamente inexistente; e os de leito 
fluidizado, onde uma movimentação intensa das partículas, sendo que a fluidização 
do leito pode ser provocada pela injeção de ar, ou de um gás inerte, ou ainda pode ser 
obtida por uma corrente de recirculação de líquido no reator.
Por sua vez, os reatores com lâminas de membranas planas e os reatores de fibra oca 
(hollow-fiber), caracterizam-se por manterem as células confinadas entre membranas 
semipermeáveis (entrapped biocatalyst), as quais permitem o fluxo de líquido, mas 
não a passagem de células. 
Esse tipo de biorreator normalmente prevê a separação entre os fluxos de nutrientes e 
produtos metabólicos, o que permite imaginar uma primeira operação de separação do 
produto desejado, podendo contribuir para a simplificação das etapas de purificação do 
produto (downstrearn).
Nos tipos de biorreatores com membranas, as tensões de cisalhamento são mínimas, 
inferiores àquelas obtidas nos biorreatores air-lift, o que os torna indicados para 
utilização com alguns tipos de células animais extremamente sensíveis ao cisalhamento. 
Comparativamente aos típicos reatores com células imobilizadas em suportes inertes, 
tem-se neste tipo de biorreatores menores obstáculos difusionais, podendo-se 
igualmente manter elevadas concentrações celulares. 
Particularmente, o reator de fibra oca consiste em um feixe de fibras capilares de 
material semipermeável, no interior das quais ocorre escoamento laminar do meio de 
cultura, permanecendo as células retidas na região anular entre as fibras.
Os reatores em fase não aquosa, empregados para os processos de fermentação 
semissólida, se caracterizam pela ausência de água livre, podendo o teor de umidade 
variar de 30 a 80%, dependendo das características de retenção de água do substrato 
sólido empregado.
A fermentação semissólida, também chamada de fermentação sólida ou em estado 
sólido, tem se destacado nos estudos e avanços obtidos no aproveitamento destes 
22
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
resíduos. De um modo geral, a fermentação semissólida é um processo microbiano 
que se desenvolve na superfície de materiais sólidos, que apresentam a propriedade de 
absorver ou de conter água, com ou sem nutrientes solúveis. 
Esses materiais sólidos podem ser biodegradáveis ou não. Para a fermentação 
semissólida, é necessário que os microrganismos cresçam com nutrientes difusíveis 
sob ou sobre a interface liquido-sólido. Esta fermentação se caracteriza por dois tipos: 
uma, em que as condições para o estado sólido são propiciadas pelo próprio substrato. 
Na outra fermentaçãosemissólida, o desenvolvimento do processo se dá utilizando um 
suporte inerte.
O processo semissólido apresenta uma série de dificuldades, especialmente no que se 
refere ao controle. 
Entretanto, esse processo apresenta uma série de aspectos interessantes, os quais podem 
torná-lo, em alguns casos, mais econômico do que o tradicional processo submerso. 
Dentre os itens que necessitam de um maior desenvolvimento, encontra-se o estudo de 
novas concepções de reatores para a fermentação semissólida.
Os reatores de leito fixo ou de leito fluidizado gás-sólido promovem a passagem de ar ou 
de um gás inerte por meio de um leito de partículas sólidas. No caso do leito fluidizado, a 
vazão do gás é suficientemente elevada, de maneira a propiciar a suspensão dos sólidos 
na corrente gasosa. Desta forma, promove uma melhor condição de transferência de 
massa no sistema (nutrientes, oxigênio). Além de auxiliar no controle da temperatura.
Diante de tantas possibilidades, observa-se que há uma grande diversidade de 
biorreatores a serem utilizados em um determinado processo fermentativo, sendo que 
a melhor opção dependerá das características do processo em questão, bem como do 
microrganismo utilizado.
O texto do link abaixo demonstra a importância estratégica da automação no 
controle da fermentação semissólida. 
O texto está disponível em: 
<https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/28643/
instrumentacao-para-automacao-de-processo-de-fermentacao-semi-solida>.
Biorreatores ideais e não ideais
Os biorreatores podem ser classificados quanto ao comportamento em ideais e não 
ideais.
23
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Os biorreatores ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemático 
específico a partir de condições pré-estabelecidas e que aplicado às condições reais se 
ajustam adequadamente. Deste modo, os biorreatores ideais são reatores que permitem 
o perfeito controle sobre as condições de mistura, transferência de massa e calor.
 » Em reatores batelada e tanques agitados, ocorre a mistura completa do 
sistema reacional, com homogeneização das variáveis do sistema.
 » Em reatores tubulares considera-se escoamento pistonado no qual não se 
observam alterações das variáveis do sistema na direção axial.
Os reatores ideais podem ser:
Reator descontínuo (ou Batelada)
É um reator constituído por um tanque com agitação mecânica nos quais todos os 
reagentes são introduzidos no reator em uma única vez. Em seguida, são misturados e 
reagem entre si. Após um tempo, os produtos obtidos são descarregados de uma única 
vez deste reator (Figura 6a). 
Em inglês é conhecido como: Batch Reator.
Quanto à construção, o reator em batelada é simples, necessita de poucos acessórios 
e é ideal para estudos experimentais de pequena escala sobre cinética de reação. 
Industrialmente, ele é usado quando são tratadas quantidades relativamente pequenas 
de material.
Figura 6. Principais tipos de reatores ideais.
Fonte: Fábrega (2012).
24
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Reator Tubular 
Este reator recebe na literatura os nomes de reator com escoamento (fluxo) pistonado 
(PFR – Plug Flow Reactor), reator tubular ideal (Ideal Tubular Flow) e reator com 
escoamento sem mistura (Unmixed Flow). 
Fonte: Fábrega (2012).
Consiste de um tubo vazio por onde passa a mistura reacional. É um tubo sem 
agitação no qual todas as partículas escoam com a mesma velocidade na direção do 
fluxo (Figura 6b).
O reator com escoamento pistonado consiste em um tubo cilíndrico (ou feixe de tubos) 
no qual um ou mais reagentes fluidos são bombeados e a reação química ocorre à medida 
que os reagentes escoam por esse tubo. Os reagentes são continuamente consumidos à 
medida que avançam no reator ao longo de seu comprimento.
Os reagentes podem ser introduzidos no reator com escoamento pistonado em diferentes 
pontos do reator, a fim de obter maior eficiência do processo ou como forma de reduzir 
o tamanho e o custo do reator.
A hipótese associada a este tipo de reator é que o escoamento do fluido é ordenado (fluxo 
pistonado), não havendo mistura ou sobreposição de nenhum elemento de volume no 
seu interior (back-mixing).
Normalmente encontrado é na forma de um tubo longo, mas também na forma de 
vários reatores menores em um feixe de tubos. Sua principal utilização é especialmente 
em reações em fase gasosa.
O reator com escoamento pistonado é usado para descrever reações químicas em 
sistemas de fluxo contínuo, sendo usado para predizer o comportamento de reatores 
químicos, de modo que as variáveis principais do reator, tais como as dimensões do 
reator, possam ser estimadas. A taxa de reação química varia ao longo do tubo, criando 
um gradiente de concentração na direção axial do reator.
25
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Os reatores com escoamento pistonado são usados para modelar a transformação 
química de compostos que como eles são transportados em sistemas semelhantes a 
tubos. O tubo pode representar uma grande variedade de condutos de engenharia ou 
naturais por meio dos quais fluem líquidos ou gases.
Um reator com escoamento pistonado tem um tempo de residência fixo. Qualquer 
fluido (pistão) que entra no reator no tempo sairá do reator no tempo, que é o tempo de 
residência do reator. Reator com escoamento pistonado tem uma distribuição do tempo 
de permanência que é um pulso estreito em torno da distribuição média do tempo de 
residência.
As vantagens do reator com escoamento pistonado são:
 » manutenção relativamente fácil (não há partes móveis);
 » reator com escoamento uniforme;
 » produz a conversão mais alta por volume de reator dentre os reatores 
com escoamento;
 » tem uma conversão por unidade de volume alta;
 » custo semelhante ao de um trocador de calor;
 » opera por longos períodos de tempo sem manutenção;
 » a taxa de transferência de calor pode ser otimizada pelo uso de tubos 
mais ou menos finos, tubos mais grossos em paralelo.
As desvantagens do reator com escoamento pistonado são:
 » difícil de controlar a temperatura do reator;
 » as temperaturas podem resultar em gradientes de temperatura 
indesejáveis;
 » podem ocorrer pontos quentes quando a reação é exotérmica.
Reatores com escoamento pistonado são usados para as seguintes aplicações:
 » reações de larga escala;
 » reações rápidas;
 » reações homogêneas ou heterogêneas;
26
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
 » produção contínua;
 » reações a altas temperaturas.
Em um reator de escoamento pistonado, as partículas de fluido entram continuamente 
em uma extremidade do tanque, passam por meio dele e são descarregadas na outra 
extremidade, na mesma sequência que entram. O fluxo se processa como êmbolo, 
sem misturas longitudinais. As partículas mantêm a sua identidade e permanecem no 
tanque por um período igual ao tempo de detenção hidráulica. Este tipo de fluxo é 
reproduzido em tanques longos, com uma elevada relação comprimento-largura, na 
qual a dispersão longitudinal é mínima.
Um reator de escoamento pistonado (PFR) possui tipicamente uma eficiência maior 
que um reator de mistura perfeita (CSTR) para um mesmo volume de reator, ou seja, 
dado um mesmo tempo de residência, uma reação terá maior conversão em um PFR do 
que em um CSTR.
Reator de mistura
Fonte: Fábrega, 2012.
É um tanque agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo de reagentes ou produtos 
e é operado de acordo com as seguintes características:
 » composição uniforme dentro do reator; 
 » a composição de saída é igual à composição do interior do reator;
 » a taxa da reação é a mesma em todo o reator, inclusive na saída. 
27
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Em inglês é conhecido como Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) (Figura 6c).
Em um CSTR um ou mais reagentes fluidos são introduzidos no reator, equipado com 
um agitador, enquanto o efluente do reator é removido. O agitador mistura os reagentes 
assegurando uma homogeneização do sistema reativo.
Em um reatorde mistura completa as partículas que entram no tanque são imediatamente 
dispersas em todo o corpo do reator. A mistura completa pode ser obtida em tanques 
circulares ou quadrados se o conteúdo do tanque for contínuo e uniformemente 
distribuído.
Assume-se a hipótese de que a mistura no interior do reator é perfeita, ou seja, não possui 
variações espaciais na concentração, temperatura ou velocidade de reação através do 
tanque. Temperatura e concentração em qualquer ponto do reator são as mesmas no 
ponto de saída. É relativamente fácil manter um bom controle de temperatura.
O fluxo de entrada e saída é contínuo. As partículas deixam o tanque em proporção à sua 
distribuição estatística. Quando em regime estacionário, a taxa mássica de alimentação 
dos reagentes é igual à taxa mássica dos efluentes.
O reator de mistura completa é utilizado quando se necessita de agitação intensa. Pode 
ser utilizado isoladamente ou em uma bateria de reatores em série.
Normalmente, por questões econômicas, utilizam-se reatores em série, que em geral 
são de tamanhos diferentes, a fim de proporcionar uma alta conversão. Logo, são 
necessários reatores de grandes volumes para se obter uma alta conversão. A conversão 
do reagente por unidade de volume é a menor dentre os reatores com escoamento 
contínuo.
Para cada um destes três principais tipos de reatores ideais, uma pergunta básica que 
permite distinguir bem os três reatores entre si é a seguinte:
O que ocorre com a composição no meio reacional de um reator X se forem coletadas 
alíquotas de seu interior:
 » em tempos diferentes de um mesmo local?
 » em locais diferentes ao mesmo tempo?
As respostas estão na tabela 3.
28
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Tabela 3. Análise da variação da concentração em função do tempo em uma posição fixa ou da variação da 
concentração em função da posição no reator num tempo fixo.
Reator Variação de Ci com o tempo Variação de Ci no espaço
Batch Varia Não varia
CSTR Não varia Não varia
PFR Não varia Varia
Fonte: Fábrega (2012).
Os biorreatores não ideais são aqueles para os quais é necessário um tratamento 
matemático específico em função de peculiaridades de reação e/ou biorreator. 
 » O espaço físico é delimitado, onde processos físicos, químicos ou 
biológicos são conduzidos em condições controladas, visando atingir um 
propósito definido. 
 » Existe uma distribuição do tempo de residência que deve ser considerada. 
Ex.: reação em interface gás-líquido quando um gás é borbulhado em um 
líquido. 
 » Qualidade deficiente da mistura. Ex.: reação em fase gasosa em reator 
recheado de catalisador, com formação de canais preferenciais de 
escoamento.
 » Formação de zonas de estagnação (mortas) e desvio de escoamento. Ex.: 
formação de curto-circuito.
O substrato aplicado pode estar na forma natural como bagaço de cana, sabugo de 
milho, produtos ou resíduos agroindustriais – de baixo ou nenhum valor, e na forma 
sintética, a argila.
É evidente que elementos de fluido que percorrem diferentes caminhos no reator 
podem gastar tempos diferentes para passarem pelo recipiente. A distribuição destes 
tempos para a corrente que deixa o recipiente é chamada de distribuição do tempo de 
residência (DTR) do fluido. Este é um parâmetro fundamental na caracterização de 
reatores e serve como um parâmetro quantitativo para a avaliação de desempenho no 
tratamento de efluente.
As curvas DTR são obtidas pela injeção de um composto inerte (traçador) na corrente 
afluente em determinado tempo (t = 0) e pela medida da concentração desse traçador 
na corrente efluente em função do tempo. Uma informação importante na prática 
industrial em reatores é o conhecimento da distribuição de tempos de residência (DTR). 
Trata-se de um fator importante para se avaliar o comportamento geral de um reator, 
29
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
juntamente com a cinética da reação; a determinação da DTR permite diagnosticar 
problemas de escoamento no reator. 
As principais anomalias são: 
 » existência de zonas de estagnação do fluido ou zonas mortas; 
 » curto-circuitagem extrema e subpassagem do fluido; 
 » existência de canalização, especialmente em operações em contracorrente; 
 » dispersão axial em reatores tubulares; 
 » segregação, resultante das condições de mistura. 
A figura 7 ilustra as possíveis anomalias presentes em escoamentos não ideais.
Figura 7. Principais anomalias presentes em escoamentos não ideais.
Fonte: Levenspiel (2000).
A quantidade E(t) é chamada de função de distribuição do tempo de residência. Ela 
é a função que descreve, de uma maneira quantitativa, em quanto tempo diferentes 
elementos de fluido permanecem no reator. A curva F (Figura 8), obtida quando se 
30
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
aplica estímulo em degrau, não é manipulada diretamente para a obtenção dos dados 
hidrodinâmicos do reator. Na prática, a curva F é transformada na curva DTR (curva 
E), gerando uma resposta idêntica à obtida quando a injeção se dá na forma de pulso.
Para que as funções E e F estejam relacionadas adequadamente, é necessário que se 
relacione a concentração de saída do reator com a concentração na corrente de entrada 
por meio da integral de convolução.
Para uma breve ilustração, a figura 8 representa, genericamente, as curvas E e F.
Figura 8. Distribuição da curva E em relação ao tempo, à esquerda, e distribuição da curva F em relação ao 
tempo, à direita. 
Fonte: Souza (2012).
Há várias maneiras de se conduzir a fermentação. O reator biológico pode ser operado 
de forma descontínua, semicontínua, descontínua alimentada (ou batelada alimentada) 
ou contínua, todas podendo trabalhar com ou sem recirculação do fermento.
Processo em batelada
Esse processo também é conhecido como processo descontínuo cuja descrição típica 
pode ser enunciada da seguinte forma: prepara-se um meio de cultura adequado 
à nutrição e ao desenvolvimento do microrganismo e também ao acúmulo do 
produto desejado; coloca-se este meio de cultura em um biorreator; adiciona-se o 
microrganismo responsável pelo processo biológico e aguarda-se que o processo 
ocorra. Após um determinado tempo de fermentação, retira-se o caldo fermentado do 
reator e executam-se as operações unitárias necessárias para a recuperação do produto.
É um tipo de reator tanque com agitação mecânica. Um reator batelada não admite 
entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o processamento da reação. Todos 
os reagentes são introduzidos no reator de uma só vez. Em seguida são misturados e 
reagem entre si. Após algum tempo, os produtos obtidos também são descarregados de 
uma só vez. 
31
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Nesse tipo de reator, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a 
posição dentro do reator, mas variam com o tempo. É alimentado por meio de aberturas 
no topo. 
Em inglês, é conhecido como Batch Reactor, (BSTR – Batch Stirred Tank Reactor ou 
SBR – Stirred Batch Reactor). Um esquema de um reator descontínuo encontra-se na 
figura abaixo (Figura 9a e 9b).
Figura 9a. Exemplo de um biorreator descontínuo. 
Figura 9b. Partes de um reator batelada ou descontínuo.
Fonte: Fábrega (2012).
32
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
O reator batelada é constituído tipicamente por um tanque com agitador e um sistema 
integrado de aquecimento/resfriamento. Podem variar de tamanho de 1 L a 15000 L. 
Geralmente são fabricados em aço inoxidável, aço recoberto com vidro ou ligas especiais.
No reator batelada os líquidos e sólidos normalmente são carregados no topo do reator 
e retirados pelo fundo. Vapores e gases são carregados pelo fundo do reator e retirados 
pelo topo. Sua principal vantagem é a versatilidade.
Demais componentes: o agitador possui lâminas impelidoras acopladas ao eixo central 
e a maioria dos reatores utiliza chicanas (baffles) para quebrar o fluxo causado pelo 
agitador e aumentar a mistura do sistema.
O reator batelada é usado para operação em pequenaescala, para testes de novos 
processos que ainda não foram completamente desenvolvidos, para a fabricação de 
produtos caros e para processos que são difíceis de converter em operações contínuas. 
Esse tipo de reator permite que altas conversões possam ser obtidas, deixando o reagente 
no reator por longos períodos de tempo. Quando a capacidade de conversão é baixa, o 
processo em batelada tem menor investimento de capital do que o processo contínuo, 
sendo preferíveis quando se está testando um novo produto. Existe uma flexibilidade 
de operação no mesmo reator, podendo-se obter produtos diferentes. É fácil de limpar. 
Amplamente utilizado nas indústrias de processos químicos, em diversas aplicações: 
reações químicas; dissolução de sólidos; mistura de produtos; destilação; cristalização; 
extração líquido/líquido; polimerização etc.
No reator em batelada há certa dificuldade na produção em grande escala. Está 
associado ao alto custo de mão de obra por batelada, por causa do tempo perdido 
durante a alimentação, ao esvaziamento e à limpeza (o chamado “tempo morto”), que 
pode até inviabilizar o processo. A qualidade do produto é mais variável do que em 
reator de operação contínua.
Características do reator batelada:
 » geralmente utilizado para produção em pequena escala;
 › para teste de novos processos;
 › fabricação de produtos de alto valor agregado;
33
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
 › para processos difíceis de se converter em operações contínuas (difícil 
controle);
 » possibilita altas conversões, pois pode ser adotado um longo tempo de 
residência dos reagentes no reator;
 » não admite entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o 
processamento da reação;
 » composição varia no tempo (dispositivo essencialmente transiente);
 » requer pouca instrumentação;
 » custo de mão de obra é alto;
 » operação pode ser feita a pressão e/ou temperatura constantes;
 » dificuldade de produção em larga escala.
No que se refere à manutenção e assepsia, o processo descontínuo é considerado o 
mais seguro, pois, ao final de cada batelada, o reator pode ser esterilizado juntamente 
com um novo meio de cultura, recebendo um novo inóculo que deve ser submetido 
a todos os controles necessários para assegurar a presença única do microrganismo 
responsável pelo processo. 
Além do menor risco de contaminação, esse processo apresenta grande flexibilidade 
de operação pela possibilidade de utilização dos fermentadores para a fabricação de 
diferentes produtos e por permitir uma melhor condição de controle com relação à 
estabilidade genética do microrganismo.
A fermentação em batelada pode levar a baixos rendimentos e produtividades quando 
o substrato é adicionado de uma só vez, no início da fermentação, exercendo efeitos de 
inibição, repressão ou desvio do metabolismo celular a produtos que não interessam.
Assim, o processo batelada é sempre utilizado como base para as comparações de 
eficiências atingidas com relação aos outros processos, mas a sua baixa eficiência 
estimula o surgimento de formas alternativas.
Reator batelada encamisado (camisa externa simples) 
Em grandes reatores esse sistema de aquecimento pode demorar muito tempo 
para ajustar a temperatura. A distribuição de transferência de calor não é ideal 
(Figura 9c).
34
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Figura 9c. Reator batelada encamisado.
Disponível em: <http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor>. 
Reator batelada com camisa externa (meia cana)
É construído soldando-se uma metade de tubo à parede externa do reator. Permite uma 
transferência de calor melhor que o reator encamisado e aquecimento/resfriamento 
mais uniforme (Figura 9d).
Figura 9d. Reator batelada com camisa externa.
Disponível em: <http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor>. 
Reator batelada encamisado com fluxo constante 
(coflux) 
É um tipo de reator relativamente recente. Possui uma série de camisas e uma válvula 
para regular a área encamisada, variando a área de transferência de calor, possibilitando 
assim regular a temperatura do processo sem precisar alterar a temperatura na camisa. 
35
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Apresenta um tempo muito rápido de resposta ao controle de temperatura. Permite 
medir sensivelmente o calor transferido ao sistema, permitindo o monitoramento da 
taxa de reação, controle de cristalização etc. (Figura 9e).
Figura 9e. Reator batelada encamisado com fluxo constante.
Disponível em: <http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coflux_jacket.JPG>. 
O processo batelada alimentada, também conhecida como “Melle-Boinot”, é um processo 
em que o substrato é alimentado sob condições controladas até atingir o volume do 
biorreator. Esse processo, apesar de antigo, é muito conveniente e satisfatório quanto à 
operação e eficiência de conversão de açúcares a álcool.
Tais processos possibilitam uma vazão de alimentação constante ou variável com o 
tempo e a adição de mosto de forma contínua ou intermitente. Devido à flexibilidade 
de utilização de diferentes vazões de enchimento dos reatores com meio nutriente, nos 
processos batelada alimentada é possível controlar a concentração de substrato no 
fermentador, de modo que, por exemplo, o metabolismo microbiano seja deslocado 
para uma determinada via metabólica, levando ao acúmulo de um produto específico.
Os processos em batelada alimentada são eficientes e versáteis na grande maioria dos 
processos fermentativos, inclusive nos de fermentação alcoólica. Em tais processos, 
especialmente naqueles com altas densidades celulares, a produtividade é alta devido 
ao grande número de células viáveis no meio em fermentação. 
A batelada alimentada permite o controle da concentração de açúcar, minimizando os 
efeitos de inibição pelo substrato e permitindo a sua adição em momentos propícios 
durante a fermentação.
36
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
A migração das plantas de batelada alimentada para contínua ocorre de forma lenta nas 
indústrias brasileiras.
Processo contínuo ou em estado estacionário
O processo contínuo caracteriza-se por possuir uma alimentação contínua do meio de 
cultura a uma determinada vazão, sendo o volume de reação mantido constante pela 
retirada contínua do caldo de fermentação. É importante manter o cultivo contínuo sob 
regime estacionário, isto é, quando as propriedades do meio permanecem constantes 
com o tempo em cada ponto. 
O reator contínuo é constituído por um ou mais tanques bem agitados em operação 
contínua. Sua construção é simples e o controle é automático. É ideal para o 
processamento industrial quando as velocidades de reação e de produção são bastante 
elevadas. 
Há necessidade de muitos acessórios, porém, em compensação, obtém-se um excelente 
controle de qualidade do produto. Este é um tipo de reator que é largamente utilizado 
na indústria petrolífera. 
Por exemplo, o processo contínuo de fermentação alcoólica pode ser dividido em três 
partes: unidade de tratamento ácido, fermentadores e unidade de separação de células 
(centrífugas). O número total de dornas de fermentação e o volume de cada uma delas 
tem sido objeto de estudo para diversos pesquisadores.
As características do reator contínuo são:
 » elevado custo do investimento; 
 » custo de mão de obra reduzido;
 » possibilita automação;
 » apresentam maior produtividade;
 » constância na qualidade dos produtos;
 » reagentes e produtos são respectivamente alimentados e retirados 
continuamente do reator;
 » tais reatores são utilizados em processos para produção em grande escala;
 » a composição do sistema num dado ponto do reator é constante no tempo;
37
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
 » requerem instrumentação para monitoramento constante das variáveis 
do processo.
Tal processo pode ser mais vantajoso que o de batelada ou batelada alimentada, 
pois inclui otimização das condições de processo para uma maior produtividade, 
período longo de produtividade contínua, maior produtividadevolumétrica, maior 
uniformidade do produto, redução dos custos laboratoriais uma vez alcançado o estado 
desejado, redução do tempo de limpeza e sanitização das dornas e maior facilidade de 
controle automático. A maior desvantagem é que as fermentações contínuas são mais 
suscetíveis à contaminação bacteriana por longos prazos de exposição.
A fermentação contínua é um processo que requer maior conhecimento do 
comportamento do microrganismo em relação ao meio ambiente onde ele atua. Fatores 
como pH, temperatura, concentração de sacarose e álcool, concentração de biomassa, 
viabilidade celular dentre outros, influenciam na produtividade do sistema, requerendo 
assim, maior controle sobre o processo.
Os principais processos podem ser divididos em dois grupos: fermentação em dorna 
única, onde todo o processo é realizado numa única dorna, de mistura completa, onde 
o teor de açúcares e de álcool é constante e a fermentação em cascata, onde as dornas 
individuais são conectadas em série, passando-se consecutivamente de uma para outra.
Não há estatísticas exatas, mas os pesquisadores acreditam que o processo contínuo 
seja responsável pela produção de 25% a 30% do etanol fabricado no Brasil, o sistema 
batelada domina o mercado das operações fermentativas. 
Algumas usinas voltaram ao processo batelada após alguns anos de operação contínua. 
Quando se faz açúcar e álcool, o sistema mais aceito pelos técnicos é a batelada 
alimentada, porém o assunto está longe de ser esgotado, sendo exigido ainda muito 
estudo de Engenharia e Cinética da Fermentação Alcoólica.
O sistema em batelada alimentada apresenta maior rendimento, maior teor alcoólico 
no final da fermentação, maior flexibilidade e é menos sujeito às contaminações. 
O sistema contínuo apresenta menor custo de instalação, automatização mais fácil e 
menor volume de equipamentos, tais como dornas e trocadores de calor.
Dentre os reatores em estado estacionário, citam-se os reatores de mistura completa 
(CSTR) e os tubular (PFR), estes já foram explanados anteriormente. A seguir, citaremos 
outros tipos de reatores em estado estacionário.
Reator de Fluxo Oscilatório (OFM - Oscillatory Flow Mixing Reactor)
38
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
 » É um tipo de reator tubular que possui chicanas internas, se comporta 
como se fosse um CSTR.
 » Geometria é discretizada de forma que seu comportamento se aproxima 
de um reator PFR.
 » Apresenta melhora na transferência de calor e de massa.
 » Requer um volume bem menor que o de um reator batelada para o mesmo 
propósito.
 » A aplicação tem se voltado à produção de produtos químicos que requerem 
longo tempo de reação.
Reator de Leito Recheado ou de Leito Fixo (PBR – Packed Bed Reactor)
 » É semelhante a um reator tubular (PFR), diferenciando-se pelo fato de 
ser recheado com partículas de catalisador sólido. Por hipótese, não 
apresenta gradientes radiais de temperatura, concentração ou velocidade 
de reação na direção radial, variando apenas axialmente.
 » É essencialmente um reator heterogêneo utilizado para catalisar reações 
em fase gasosa (reagentes e produtos gasosos e catalisador sólido).
 » Apresenta as mesmas dificuldades de controle de temperatura dos 
reatores tubulares.
 » Possui uma desvantagem com relação à dificuldade de substituição do 
catalisador.
 » A formação de canais preferenciais de escoamento do gás gera uma 
utilização ineficiente do leito catalítico.
 » Para a maioria das reações, produz a mais alta conversão por massa de 
catalisador.
 » Custo do catalisador torna este reator mais caro que um trocador de calor.
 » Escoamento em geral também é considerado como sendo de fluxo 
pistonado.
 » Controle de temperatura para leitos muito grandes pode ser difícil porque 
normalmente o material sólido dos leitos não são bons condutores de 
calor.
39
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
 » Não podem ser usados catalisadores com diâmetro de partícula muito 
pequeno para não causar entupimento ou queda de pressão muito alta.
 » Dificuldades e custo em operações de manutenção para troca ou 
regeneração de catalisadores representam uma grande desvantagem 
desses reatores.
Os reatores de leito recheado esféricos são muito utilizados quando pequenas partículas 
de catalisador são necessárias, o que pode causar uma queda de pressão significativa. 
É um reator que minimiza essa queda de pressão e possui baixo custo de construção.
Reator de Leito Fluidizado (Fluidized Bed Reactor – FBR)
 » O reator de leito fluidizado é similar a um reator tanque agitado no 
sentido de que seu conteúdo, embora seja um sistema heterogêneo, é bem 
misturado, resultando em uma distribuição homogênea de temperatura 
através do leito, evitando-se pontos quentes no reator.
 » Não pode ser modelado como um reator tubular e nem como um de 
tanque agitado, requerendo um modelo próprio. Pode ser utilizado em 
um grande número de aplicações.
 » Apresenta fácil substituição e/ou regeneração do catalisador. Entretanto, 
é um equipamento de alto custo.
 » Tem capacidade de processar grandes volumes de fluido.
 » Fluidização ocorre quando pequenas partículas sólidas (podem ser o 
próprio catalisador) são suspensas por uma corrente ascendente de 
fluido.
 » As partículas sólidas circulam rapidamente no leito, criando excelente 
condição de mistura entre elas.
 » Também apresenta excelentes características de transferência de massa.
Principais desvantagens: volume do reator é grande; alto custo de energia de compressão 
do fluido; alta perda de carga; arraste de partículas; erosão dos componentes internos 
e dificuldade de entendimento e modelagem.
40
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
Processo semibatelada ou semicontínuo
Inclui todos os reatores que não se enquadram nas classificações anteriores (batelada 
ou contínuo). 
Nestes tipos de reatores processa-se uma operação com características intermediárias 
entre as descritas anteriormente: há variação de composição da massa reagente no tempo 
(característica do reator de batelada) e, simultaneamente, a adição de um reagente, ou 
a purga de um ou mais produtos de reação de modo contínuo – característica do reator 
contínuo – (Figura 10c, 10d e 10e). Permite um bom controle da reação (reagente é 
alimentado aos poucos).
A sua análise é mais difícil comparada com outros tipos de reatores. Oferece um bom 
controle de velocidade de reação e de temperatura.
Embora possua essencialmente as mesmas desvantagens de um reator batelada, possui 
as vantagens de permitir um bom controle de temperatura e a capacidade de minimizar 
reações laterais indesejáveis por meio da manutenção de uma baixa concentração de 
um dos reagentes.
Este reator possui uma variedade de aplicações, desde titulações calorimétricas em 
laboratório aos altos fornos para produção de aço, requer mão de obra, é muito usado 
em reações bifásicas (borbulhamento de gás) e a composição varia no tempo.
Figura 10. Tipos de reatores ideais: (a) reator de batelada; (b) reator contínuo; (c), (d) e (e) várias formas do reator 
semibatelada.
Fonte: Levenspiel (2000).
41
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na figura 10, a tabela 4 apresenta 
um resumo da análise da variação do volume e da composição do meio reacional em 
função do tempo em cada tipo de biorreator convencional.
Tabela 4. Análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo para 
diferentes formas de operação de um biorreator.
Exemplo Operação Volume Composição
A Batelada Constante Variável
B Continua Constante Constante (no mesmo ponto)
C Semi-batelada Variável Variável
D Semi-batelada Variável Constante
E Semi-batelada Constante Variável
Fonte: Levenspiel (2000).
42
CAPÍTULO 2
Comparação entre os vários tipos de 
biorreatores e processos, operação 
batch, operação fed-batch, operação 
contínua
A tabela 5 faz um comparativo entre os vários tipos de biorreatores e processos, operação 
batch,operação fed-batch, operação contínua.
Tabela 5. Vantagens, desvantagens e uso dos vários tipos de reatores ideais.
Tipo Características Vantagens Desvantagens Utilização
Descontínuo, Batch 
ou Intermitente
Sistema fechado.
Estado não estacionário. 
Colocam-se os reagentes 
no início e retiram-se os 
produtos no final.
Elevada conversão.
Baixo custo inicial.
O recipiente é facilmente 
aquecido ou arrefecido.
Flexibilidade de operação.
Fácil manutenção.
Alto custo operacional.
Operação e qualidade do 
produto mais variável do 
que em operação contínua.
Reações em fase líquida.
Estudos de laboratório.
Tempos de residência altos.
Produtos de alta pureza.
Usos nas indústrias 
cosmética e de 
fermentação.
Semibatch ou 
Semicontínuo
Um dos reagentes é 
colocado no início e o 
outro reagente em contínuo 
(pequena concentração).
Ou um dos produtos pode 
ser removido continuamente 
para evitar reações 
paralelas.
Boa seletividade e 
flexibilidade operacional.
Pode-se manter baixa 
a concentração de um 
reagente.
Pode ser usado um 
condensador de refluxo.
Bom controle de 
temperatura.
Baixa produção.
Alto custo operacional.
Qualidade do produto 
variável.
Reações em fase líquida.
Reações altamente 
exotéricas.
Retirar produtos gasosos.
Baixa concentração de um 
reagente.
Indústria farmacêutica e 
biológica.
Química fina.
CSTR ou reator com 
agitação perfeita 
ou ideal contínuo
Sistema aberto.
Operação contínua.
Estado estacionário.
Agitação perfeita.
Produção em grande escala.
Fácil controle da 
temperatura.
Simples construção.
Adaptação fácil a reações 
com duas fases.
Baixa conversão por 
unidade de volume.
No caso de má agitação, 
possibilidade de curtos-
circuitos.
Reações em fase líquida, 
gás-líquido e sólido-líquido.
PFR ou Tubular Tipo 
pistão Contínuo
Sistema aberto.
Operação contínua.
Estado estacionário.
Temperatura e 
conversão são função do 
comprimento.
Numa secção transversal a 
concentração é constante.
Elevada conversão por 
unidade de volume.
Baixo custo operacional.
Boa transferência térmica.
Gradientes térmicos e de 
concentrações radiais.
Controle de temperatura 
deficiente.
Para cada fluxo, há tempos 
de residência diferentes.
Paragem e limpeza muito 
onerosas.
Fase gasosa.
Alta produção.
Temperaturas elevadas.
Reações rápidas.
Reatores homogéneos ou 
heterogéneos catalíticos.
43
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Tipo Características Vantagens Desvantagens Utilização
PBR ou Reator 
de enchimento 
Contínuo
Reator tubular cujo 
interior tem partículas de 
catalisador.
Estado estacionário.
Reagentes e produtos 
entram e saem 
continuamente.
Efeitos difusionais.
Alta conversão por unidade 
de massa de catalisador.
Contínuo.
Baixo custo operacional.
Gradientes térmicos 
indesejáveis.
Controle de temperatura 
deficiente.
Podem ocorrer caminhos 
preferenciais.
Difícil manutenção.
Fase gasosa com 
catalisador sólido.
Gás-sólido.
Reações heterogéneas.
Reações em fase gasosa 
com catalisador.
Estudos difusionais.
Reator em Leito 
Fluidizado Contínuo
Agitação perfeita como o 
CSTR.
Reações Heterogêneas.
Boa mistura.
Temperatura uniforme.
O catalisador pode ser 
continuamente regenerado 
com o auxílio de um 
controlo auxiliar.
Transporte dos fluidos do 
leito não é bem conhecido.
Uma forte agitação pode 
causar a destruição do 
catalisador e formação de 
produtos indesejáveis.
Incerteza no scale-up.
Reações heterogêneas e 
reações em fase gasosa 
com catalisador.
Fase gasosa com 
catalisador sólido.
Gás-sólido.
Fonte: Sêco (s.d.).
Abaixo está o resumo das equações gerais e seus gráficos.
Figura 11.
Fonte: Pereira (s.d.). 
44
CAPÍTULO 3
Produção de calor durante o 
crescimento celular, agitação, 
transferência de oxigênio e formação 
de espuma
A transferência de oxigênio é uma função complexa, relacionada com parâmetros 
operacionais, incluindo agitação, vazão volumétrica de ar e dimensões geométricas do 
biorreator. 
As fermentações aeróbias, além do fornecimento de oxigênio, precisam de uma boa 
distribuição do ar no interior do fermentador. Com agitação há uma dispersão uniforme 
das bolhas de ar e também dos nutrientes, que não ficam concentrados em determinadas 
zonas. 
A avaliação do desempenho da agitação é feita pelo gasto de energia, medida ou registrada 
pela variação da potência consumida pelos agitadores. A variação de consumo de 
energia é causada pela alteração da densidade, da viscosidade do meio e pela resistência 
oposta pelas células, geralmente crescente com o progresso da fermentação. A medida 
da variação da potência é adequada para o controle dessa operação.
A geração de espuma frequentemente se atribui à presença de proteínas no meio de 
cultivo, situação ainda mais complexa para os processos aeróbios, devido à necessidade 
de aerar e agitar o conteúdo do biorreator.
Em geral, a geração de espuma pode ocorrer no início de um processo fermentativo 
aeróbio, quando se empregam meios de cultivo contendo extratos de carne ou 
de levedura, ou água de maceração de milho (corn steep liquor), e nas etapas mais 
avançadas de um processo em virtude da presença de proteínas.
Isso causa sérios problemas, como a necessidade de empregar um menor volume útil do 
reator, a fim de ter condições de controlar a espuma, além da frequente necessidade de 
empregar antiespumantes que, além de onerarem o produto final, ainda podem causar 
dificuldades nas etapas de recuperação do produto e uma redução na transferência de 
oxigênio, o que exige o aumento da agitação e da aeração, agravando a situação. Assim, 
é importante a seleção de microrganismos que excretem poucas proteínas juntamente 
com o produto desejado.
45
INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES │ UNIDADE I
Devido à agitação e aeração dos fermentadores, pode ocorrer a dispersão da fase 
gasosa no meio de cultura e, em consequência, a formação de espuma. Dependendo 
da intensidade do fenômeno, a espuma pode trazer distúrbios ao processo como, por 
exemplo, o bloqueamento de linhas e do filtro de exaustão. 
As espumas têm origem na aeração, na agitação e no desenvolvimento de gases no 
interior dos substratos em fermentação; seu aspecto é diverso nos diferentes meios, 
por razão de suas características reológicas.
O meio utilizado em cultivo de células animais, contendo, geralmente, considerável 
proporção de soro bovino, é propenso à formação de espuma. Para reduzir ao máximo 
a formação de espuma, é importante que o sistema de agitação, tipo das turbinas e 
sistemas de difusão do ar sejam bem projetadas. O emprego de sistemas mecânicos 
de destruição da espuma não é satisfatório, pois destrói também inevitavelmente as 
células presentes na espuma. O emprego de antiespumante tem de ser cuidadosamente 
avaliado, pois pode apresentar sérios efeitos tóxicos ou então causar problemas na 
purificação posterior do produto.
Reduzir a formação de espumas pela diminuição da intensidade de aeração, da 
agitação, ou de ambas, pode reduzir a produtividade e o rendimento. Contornar o efeito 
da formação de espuma por redução do volume de meio nos fermentadores, deixando 
grande espaço vazio, é antieconômico porque reduz a capacidade de produção ou a 
eficiência da fábrica. Outras formas de reduzir a formação de espumas são diluir os 
substratos ou modificar as características reológicas dos meios naturais, por meio de 
precipitação de coloides e sua decantação seguida de filtração.
A espuma pode ser evitada tanto por meios mecânicos como por agentes químicos. 
Os agentes químicos mais comuns são óleos, emulsões de óleo e água, óleos à base de 
silicone e parafinas. Por outro lado, esses agentes químicos podem afetar o crescimento 
celular e a transferência de oxigênio para o meio, por isso sua adição deve ser minimizada. 
Isso é possível com sistema de medida e controle da adição de antiespumante. Utiliza-se 
comumente uma sonda, que consiste numa haste condutora de eletricidade, montada 
na tampa do fermentador. Ao entrar em contatocom a espuma, a haste ativa um 
circuito elétrico que liga uma bomba permitindo a adição controlada de antiespumante. 
A diminuição de espuma interrompe o circuito, que desliga a bomba.
O momento e a quantidade de antiespumante a adicionar são importantes. Alguns 
podem ser metabolizados e outros afetam a capacidade de transferência do oxigênio. 
Uma característica importante, desejada nos antiespumantes, é poder ser facilmente 
eliminado no momento da separação do metabólito do substrato fermentado.
46
UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS BIORREATORES
As espumas dificultam as operações de assepsia e de desinfecção. Por isso devem 
ser evitadas ou eliminadas, e a maneira mais efetiva é a adição de antiespumantes 
automaticamente, de preferência. Quebra-ondas, batedores, ultrassom são outros 
sistemas utilizados, mas sem a mesma eficiência. Os antiespumantes são fabricados 
à base de silicone, de álcoois superiores e agentes de ação de superfície dispersos em 
óleos. Os à base de silicone são adicionados em menor proporção que os demais.
A aparência da espuma varia com a natureza do mosto, com a estirpe da levedura e 
temperatura da fermentação entre outros fatores. Entretanto, para o mesmo mosto e a 
mesma levedura, as espumas formadas apresentam aspecto típico e característico.
Nos caldos clarificados o aspecto é parecido com o das fermentações de mostos de 
melaço.
Nos mostos de melaço, em condições normais há a formação de espuma clara e 
brilhante, que recobre toda a superfície do meio. É constituída de bolhas gasosas 
pequenas, regulares e com movimento rápido para o centro do fermentador, como em 
convecção. Elas acompanham as fases da fermentação; são pouco intensas no início, 
máximas durante a fase tumultuosa e diminuem até desaparecer por completo no final.
Nos mostos de caldo de cana cru, o aspecto é muito diverso e varia com a linhagem da 
levedura, preparo do mosto, maturação da cana de açúcar, intensidade da extração do 
caldo, entre outros. Essa diversidade dificulta a descrição. Entretanto, a presença de 
irregularidade na fermentação é visível pela viscosidade, persistência e dimensões das 
bolhas. 
As fermentações irregulares causam a formação de bolhas de grande diâmetro, 
persistentes, pouco intensas, de cor e movimentação irregulares. 
Considerando as elevadas taxas de aeração que normalmente são utilizadas em 
fermentadores, a formação de aerossol é impossível de ser evitada, como também o 
arraste de partículas de espuma com os gases de exaustão. Para evitar que os filtros 
colocados na saída dos fermentadores sejam rapidamente obstruídos, equipamentos 
adequados devem ser intercalados entre o fermentador e os filtros para remover líquidos 
e partículas sólidas arrastadas.
47
UNIDADE II
TIPOS DE 
BIORREATORES 
COM APLICAÇÃO 
À ENGENHARIA DE 
ALIMENTOS
CAPÍTULO 1
Seleção do biorreator
O biorreator é o coração do processo biotecnológico, sendo o equipamento em que 
os substratos são convertidos nos produtos desejados sob a ação de microrganismos, 
células ou enzimas.
As características de um biorreator devem compreender simplicidade de concepção, 
flexibilidade, segurança de operação e possibilidade de monitoramento e controle de 
parâmetros operacionais.
A concepção do biorreator requer um conhecimento adequado da cinética reacional, da 
hidrodinâmica do sistema e dos mecanismos de transferência de massa. A transferência 
de massa e, em particular, a transferência de oxigênio para o meio de cultivo e o 
microrganismo são importantes variáveis na construção do biorreator.
Nas bioconversões em sistemas multifásicos devem ser ainda tomados em conta os 
fenômenos interfaciais, a partição do substrato e do produto entre as duas fases e a 
facilidade de separação das duas fases, com vista a uma integração eficaz das etapas de 
bioconversão e de recuperação do produto. A figura 12 mostra algumas considerações 
que devem ser feitas na escolha do biorreator.
As características da bioconversão incluem as propriedades dos substratos e produtos 
(pontos de fusão e ebulição, solubilidade em água, estabilidade ao pH e temperatura); 
as características reacionais (pH, temperatura, controle da atividade da água) e as 
características do biocatalisador. Estas incluem a localização da atividade enzimática 
(normalmente na fase aquosa, exceto para as lipases que são ativadas por interfaces) 
e os requisitos em água por parte do biocatalisador para manutenção da sua atividade 
48
UNIDADE II │ TIPOS DE BIORREATORES COM APLICAÇÃO À ENGENHARIA DE ALIMENTOS
catalítica. É também importante considerar as interações entre o biocatalisador e os 
substratos e produtos.
Figura 12. Considerações importantes para seleção do biorreator.
Fonte: autoria própria.
As condições reacionais incluem o tipo de sistema biocatalítico; a razão de fases aquosa 
e orgânica que condicionam a produtividade volumétrica no reator e a área interfacial 
disponível para a transferência de massa de substratos e produtos; a transferência de 
massa por meio das interfaces líquido-líquido, sólido-líquido, gás-líquido, e dentro 
da mesma fase; e efeitos de partição substratos e produtos. As condições cinéticas 
compreendem a inibição pelos substratos e/ou produtos. 
Com relação às condições referentes ao biocatalisador, estas incluem a concentração 
máxima permitida no reator; a desnaturação por agitação mecânica (no caso de reatores 
mecanicamente agitados); a baixa estabilidade do catalisador, devido a efeitos de 
temperatura, pH e presença de compostos tóxicos. Além das necessidades de cofatores, 
nutrientes e cossubstratos e a toxicidade do solvente orgânico.
49
TIPOS DE BIORREATORES COM APLICAÇÃO À ENGENHARIA DE ALIMENTOS │ UNIDADE II
Processos multifásicos gás-sólido-líquido são comuns na indústria bioquímica, e 
os biorreatores formam o núcleo desses processos. Um biorreator precisa ter boa 
capacidade de mistura para se atingir uma distribuição homogênea do oxigênio 
transferido, bem como de outros nutrientes, para o seio do fluido. A hidrodinâmica do 
biorreator também afeta seu desempenho em parâmetros tais como a transferência de 
calor e massa. A natureza dos fluidos afeta o transporte de oxigênio e o fenômeno da 
mistura.
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CAPÍTULO 2
Biorreatores ideais: equações de 
balanço material. Aeração e agitação 
de biorreatores
Nas células de metabolismo aeróbio, o oxigênio é especialmente utilizado como aceptor 
final de elétrons, participando, ao término da cadeia respiratória, na reoxidação de 
coenzimas, resultando na produção de ATP, que é a principal fonte de energia nas 
células.
O oxigênio é pouco solúvel em água, sendo o valor da sua concentração de saturação da 
ordem de alguns miligramas por litro. Em virtude disto, torna-se impossível fornecer 
de uma só vez todo o oxigênio necessário a uma cultura em desenvolvimento, ele deve 
ser continuamente suprido ao biorreator, independentemente da forma de operação do 
bioprocesso.
O fornecimento de oxigênio está intrinsecamente ligado ao metabolismo da célula ou 
ainda ao direcionamento que se impõe a este, de modo a se obter o produto desejado. 
Sendo assim, os bioprocessos podem ser desenvolvidos com e sem aeração. 
A aeração implica não somente na transferência de gás, mas também na transferência de 
umidade e calor entre o sólido fermentando e o ambiente gasoso. Devido à importância 
da aeração na remoção de calor, muitas vezes a vazão de entrada do ar é determinada 
pelas necessidades de remoção de calor, e as vazões utilizadas para a remoção deste 
calor são mais do que suficientes para manter altas as concentrações de O2 nos poros 
do leito fermentativo.
Os processos aerados são aqueles que se passam com absorção de oxigênio livre, 
podendo ser realizados com aeração natural ou forçada. Na primeira modalidade o 
oxigênio necessário ao cultivo provém do ar ambiente. Grande parte dos processos em 
superfície e em fermentação no estado sólido são aerados de forma natural.
A aeração e a agitação são operações críticas para fornecer