Cap.8 – Biorreatores

Biorreatores são reatores químicos nos quais ocorrem uma série de reações químicas

catalisadas por “biocatalisadores”.

Esses biocatalisadores podem ser enzimas ou células vivas (microbianas, animais ou

vegetais). Assim, logo de inicio, pode-se classificar os biorreatores em dois grandes grupos:

Grupo 1 – Biorreatores nos quais as reações ocorrem na ausência de células vivas, ou seja,

são tipicamente os “reatores enzimáticos”; Grupo 2 – Biorreatores nos quais as reações se

processam na presença de Células Vivas.

O segundo grupo, são amplamente mais conhecidos, são usados desde a década de 1940

para a produção industrial de grande variedade de produtos como enzimas, antibióticos,

vitaminas, ácidos orgânicos, solvente, ou ainda no tratamento de resíduos orgânicos

industriais ou domésticos.

Reatores que empregam células animais ou vegetais possuem várias particularidades, tendo

em vista as diferentes características apresentadas por este tipo de célula em relação às

células microbianas, destacando-se entre elas a elevada sensibilidade ao cisalhamento,

característica que, em casos extremos, leva à necessidade da utilização de biorreatores

não-convencionais, como reatores “air-lift”, ou ainda reatores com membranas, nos quais

não se tem agitação mecânica e , consequentemente as tensões de cisalhamento são

menores.

Classificação dos biorreatorFes:

1) Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)

1.1– 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)

1.2– Células / enzimas imobilizadas em suportes

● Reatores com leito fixo

● Reatores com leito fluidizado

● Outras concepções

1.3 – Células/enzimas confinadas entre membranas

● Reatores com membranas planas

● Reatores de fibra oca (“hollow-fiber”)

2) Reatores em fase não-aquosa (fermentação semi-sólida)

● Reatores estáticos (reatores com bandejas)

● Reatores com agitação (tambor rotativo)

● Reatores com leito fixo

● Reatores com leito fluidizado gás-sólido

90% do total de biorreatores utilizados industrialmente são os reatores agitados

mecanicamente (STR) .

A finalidade básica do emprego de células imobilizadas num biorreator é a manutenção de

elevadas concentrações celulares, podendo-se atingir, consequentemente, elevadas

produtividades no processo em questão.

O biorreator pode ser operado das seguintes formas:

-Descontínuo (com um inoculo por tanque / Com recirculação de células)

-Semicontínuo (sem recirculação de células / com recirculação de células)

-Descontinuo alimentado (sem recirculação de células / com recirculação de células)

-Continuo (executado em um reator, com ou sem recirculação de células / executado em

vários reatores, com ou sem recirculação de células)

Cap.16 – Reatores com células imobilizadas

Característica do uso de alguma estrutura física de confinamento que obriga as células a

permanecerem em uma região particular de um biorreator. Principais vantagens dos

sistemas com células imobilizadas: 1) Possibilidade de utilização de altas concentrações

celulares no volume reacional, implicando em maiores velocidade de processamento. 2)

Operação de sistemas contínuos à vazão específica de alimentação acima da velocidade

especifica máxima de crescimento , µmax, característica da celula não imobilizada. 3)

eliminação de problemáticos reciclos externos de células através do uso de sedimentadores,

filtros e centrifugas. 4) Provável obtenção de maiores fatores de conversão de substrato ao

produto desejado. 5) Possibilidade de utilização de projeto de biorreatores mais adequados

à cinética do sistema biológico utilizado. 6) Maior proteção ao sistema biológico em relação

ao estresse ambiental, ocasionado por elevadas concentrações de substratos, pH e

cisalhamentos.

Principais características de um suporte para a imobilização de células vivas: 1) não toxidez

às células. 2) alta capacidade de retenção 3) resistência ao ataque químico e microbiano. 4)

pouca sensibilidade às possíveis solicitações mecânicas, seja de compressão por peso, de

tensões de cisalhamento ou eventuais pressões internas e externas de gases. 5) alta

difusividade de substratos e produtos.

Principais suportes utilizados para imobilização de células: K-carragena, Agar, pectina

(polímeros naturais), poliacrilamida, cloreto de polivinila, poliestireno (polímeros sintéticos)

e Alumina, Silica, Zirconia, vidro (materiais inorgânicos)

Existem 3 metodos de imobilização de células:

- Adsorção: interações eletrostáticas entre cargas opostas da parede celular e superfície

do suporte. Esta técnica possui limitações como a influencia bastante acentuada das

condições ambientais promovidas pelo meio de cultivo na capacidade de retenção das

células no suporte.(concentração iônica, pH, idade da população celular que se deseja

imobilizar). Os matérias mais utilizados são os inorgânicos e os polímeros sintéticos.

- Ligação covalente: Os suportes são funcionalizados para conter um grupamento

químico, que será responsável pela imobilização da célula ao suporte. Principal técnica

utilizada é a silanização de esferas de vidro, seguida de reação de glutaraldeído. Principal

limitação é a toxicidade do sistema, conferido pela presença do glutaraldeido.

- Envolvimento: método mais utilizado pela facilidade, baixíssima toxicidade e alta

capacidade de retenção celular. Consiste no confinamento físico de uma população

celular em uma matriz polimérica formadora de um gel hidrofílico. Os poros da matriz

formada são menores que as células contidas em seu interior. Há um estabelecimento de

um fluxo de substratos para dentro das partículas de gel, onde são consumidos pela

população imobilizada. Os produtos formados no interior da matriz, difundem-se

através do gel e se acumulam no meio de cultura. Os materiais mais utilizados são os

polímeros naturais: aga, k-carragena, alginato e pectina. A principal desvantagem desse

método é a limitação imposta pela difusão intraparticular de substratos e produtos

metabólicos. O tamanho da partícula, a difusividade das espécies através da matriz

polimérica e a concentração celular na partícula devem ser otimizadas, no sentido de se

minimizar esses efeitos.

Capítulo 9 – Fermentação DesFcontínua

É o mais utilizado na industria de alimentos e alguns exemplos de alimentos que são

produzidos por esse processo fermentativo são: iogurte, chucrute, picles, cerveja,

vinho, etc..

Inóculo – São microrganismos de concentração adequada capaz de garantir, em

condições econômicas, a fermentação de um dado volume de mosto. É necessário

conservar a cepa viável e com capacidade produtiva, mantendo-a, portanto, dentro do

possível, com mínimo de divisões celulares para que não ocorram mutações. Algumas

das técnicas: conservação em Agar inclinado, liofilização e congelamento em

congeladores ou em nitrogênio liquido.

A técnica de preparo do inoculo é feita em 2 fases: a de laboratório e a industrial.

Mosto – Cada microrganismo possui condições ótimas de crescimento tais como:

temperatura, pH, nível de oxigênio, entre outras. O meio de cultivo tem influencia

marcante nesse processo. Em microbiologia é chamado de meio de cultura, na área de

fermentações industriais é chamado de mosto ou meio de fermentação. O mosto deve

possuir nutrientes requeridos para o crescimento celular.

Classificação – grupo 1: Consiste na inoculação de uma dorna com um microrganismo

que foi propagado a partir de uma cultura pura. Oferece poucos riscos de contaminação

se a propagação do inoculo foi feita em boas condições de assepsia. Nas fermentações

em que o meio é rico e o microrganismo é altamente susceptível a contaminação, a

utilização desse processo é indicada, a menos que o substrato adicionado de uma só vez

no inicio da fermentação leve a resultados insatisfatórios. Grupo 2: Processo com

recirculação do microrganismo. Reaproveitam como inoculo o microrganismo da

batelada anterior. Ou o microrganismo sedimenta no fermentador ou centrifuga-se o

meio fermentado, separando-se as células e reutilizando-as. Muito utilizadas em

destilarias de álcool. Como há tendência de contaminação a cada nova batelada, o

fermento a ser recirculado sofre tratamento. Grupo 3 – Processo por meio de cortes. Os

cortes podem ser feitos na fase de crescimento mais intenso ou após o termino do

processo fermentativo. A sucessão de cortes pode acarretar sérias quedas no

rendimento, principalmente quando se trabalha com meio não esterilizado.

**APRENDER AS CONTAS**

Cap. 10 – Fermentação Descontínua Alimentada

Uso na produção da Sacchoromyces cerevisiae.

Definido como uma técnica em processos microbianos, onde um ou mais nutrientes são

adicionados ao fermentador durante o cultivo e em que os produtos aí permanecem até

o final da fermentação. A vazão de alimentação pode ser constante ou variar com o

tempo, e a adição do mosto pode ser de forma continua ou intermitente.

Algumas finalidades ao se empregar as fermentações descontínuas alimentadas:

1 – Minimização dos efeitos do controle do metabolismo celular: manter baixo o nível de

glicose na fermentação pode aumentar a eficiência de transformação da fonte de

carbono em células (em vez de etanol)

2 – Prevenção da inibição por substratos ou precursores: O controle da vazão de

alimentação permite que se evite o trabalho em condições inibitórias, melhorando a

produtividade e/ou rendimento desses processos fermentativos.

3 – Minimização da formação de produtos de metabolismo tóxicos: O controle da

velocidade de fornecimento de substrato ao sistema permite que se mantenha a

velocidade de crescimento celular em intervalos desejados e/ou minimize a formação de

produtos tóxicos para as células, possibilitando que se consiga altas concentrações

destas e, também, aumento na quantidade de produto formado.

4 – Superação de problemas freqüente de estabilidade em processo continuo: Problemas

como contaminação, mutação e instabilidade de plasmídeo, tem como solução adota o

processo descontinuo alimentado.

5 – Adequação do processo fermentativo a condições operacionais: Estudos mostram

que vazões decrescentes de enchimento de dornas leva a maiores produtividades e

minimizam problema com espuma, pois a velocidade de adição de açúcar é máxima no

inicio, quando se tem menores volumes de meio em fermentação e ainda não há inibição

por etanol, e mínima no final.

6 – estudo de cinética de processos fermentativos: Permite a manutenção de baixos

níveis de substrato por longo período de tempo, permite manter a concentração celular

constante e controlar velocidade de crescimento em condições transientes.

Máximas velocidades de alguns processos podem ser encontradas somente nessas

condições.

Classificação:

Processo descontínuo alimentado repetitivo – Uma fração constante de volume de

cultura é removida a intervalos de tempo fixos, podendo ser mantido indefinidamente.

Esse tipo de processo tem sido utilizado industrialmente para produção de leveduras e

antibióticos, com o intuito de aproveitar como inoculo o microrganismo que está

crescendo com alta velocidade e de trabalhar com células que estão na fase produtiva

por mais tempo, respectivamente, levando ao aumento de produtividade do sistema.

Processo descontínuo alimentado estendido – Modo de operação em que a

concentração de substrato limitante é mantida constante no meio em fermentação pelo

suprimento contínuo de nutriente. Tem como objetivo estender o período de

fermentação, mantendo os níveis de concentração de substrato no reator adequados

para que as células continuem com atividade fermentativa direcionada para a formação

do produto desejado.

O processo descontínuo alimentado pode ser dividido em dois grupos baseados no fato

de adição de substrato ser ou não controlada por um mecanismo de retroalimentação.

No caso com controle por retroalimentação (controle direto e controle indireto). Por

outro lado, o suprimento de substrato é feito de forma intermitente ou de forma

ininterrupta para processos sem controle por retroalimentação.

Ambos os modos de operação visa otimizar valores de concentração de substrato no

fermentador, aumentando o rendimento e/ou produtividade do processo fermentativo.

Cap. 11 – Fermentação semicontínua

Usado no antigo processo de fabricação de vinagres a partir de vinho.

O processo fermentativo semicontínuo é o método quando, uma vez colocados no reator

o meio de fermentação e o inoculo, as operações que se seguem obedecem à seguinte

ordem:

1) Aguarda-se o término da fermentação;

2) Retira-se parte do meio fermentado, mantendo-se, no reator o restando do mosto

fermentado;

3) Adiciona-se ao reator um volume de meio de fermentação igual ao volume de meio

fermentado retirado na segunda operação.

Essa sequencia de operações é repetida até quando não houver queda de produtividade do

processo.

O processo de fabricação de vinagres a partir do vinho é um exemplo típico de processo

semicontínuo.

Vantagens: Possibilidade de operar o fermentador por longos períodos (às vezes, alguns

meses) sem que seja necessário preparar um novo inoculo. Possibilidade de aumentar a

produtividade do reator apenas modificando-se o cronograma de trabalho. Possibilidade de,

uma vez conhecidas as melhores condições de operação, conseguir produtividade

significativamente maior do que a obtida em processo descontínuo.

Cap.12 – Fermentação Contínua

Mais utilizados em bancada para desenvolvimento de processos, não são muito usados

industrialmente São mais usados no tratamento de resíduos onde não há preocupação

com contaminaçã.

Caracteriza-se por possuir uma alimentação contínua de meio de cultura a uma determinada

vazão constante, sendo o volume de reação mantido constante através da retirada contínua

de caldo fermentado.

Vantagens: 1) Aumento da produtividade do processo, em virtude de uma redução dos

tempos mortos ou não-produtivos. 2) obtenção de caldo fermentado uniforme, o que facilita

o projeto das operações de recuperação do produto de interesse (“downstream”). 3)

Manutenção das células em um mesmo estado fisiológico, o que torna o processo contínuo

uma excelente ferramenta para estudos de mecanismos de regulação metabólica ou ainda,

para estudos de otimização da composição de meio de cultura. 4) possibilidade de

associação com outras operações contínuas na linha de produção; 5) maior facilidade no

emprego de controles avançados; 6) menor necessidade de mão-de-obra.

Desvantagens: 1) maior investimento inicial na planta; 2) possibilidade de ocorrência de

mutações genéticas espontâneas, resultando na seleção de mutantes menos produtivos. 3)

dificuldades de manutenção de homogeneidade no reator, quando se trabalha com baixas

vazões, ou quando o caldo adquire comportamento pseudo-plástico, como é o caso do

cultivo de fungos filamentosos. 4) Dificuldades de operação em estado estacionário em

determinadas situações (formação de espuma, crescimento do microrganismo nas paredes

do reator, ou ainda, nos sistemas de entrada e saída de líquido)

O processo de fermentação contínua normalmente tem início em um processo descontínuo,

Após algum período de operação descontínua, inicia-se a alimentação de meio de cultura e

retirada do caldo, dando-se inicio ao processo contínuo. Recomenda-se que se inicie a

alimentação com o cultivo em fase exponencial, e contendo uma concentração celular a mais

elevada possível.

Existem várias possibilidades de operação com sistema contínuo:

● Contínuo em um único estágio (um único reator): Com reciclo de células / Sem

reciclo de células

● Contínua em múltiplos estágios ( “n” reatores em série): Com uma única

alimentação (com ou sem reciclo de células) / Com múltiplas alimentações ( com ou

sem reciclo de células)

Cada uma dessas diferentes opções irá resultar em distintos comportamentos das variáveis

de estado (concentração de células, de substrato e de produto) nos diversos estados

estacionários possíveis, podendo-se assim, definir faixas ideais de operação do sistema,

tendo como objetivo básico a obtenção de elevadas produtividades do processo.

Quimiostato – é um reator contínuo operando na região de valores de D para os quais X

varia pouco, processo onde a composição química é mantida constante, através da

introdução de substrato pela alimentação.

Turbidostato – Processo contínuo operando na região de grande variação de X, na região de

D próximo a µmax. Ajusta-se a vazão da alimentação de forma a manter X constante, o que

pode manter a turbidez do meio constante.

O Brix do caldo, para ser fermentado, deverá ser de 15º, para que a fermentação seja

completada em um período de tempo de 24 a 36 horas. Mas, como as leveduras não

suportam teores alcoólicos elevados, se o Brix for superior a 15º (neste caso haverá uma

maior produção de álcool), o tempo necessário para a fermentação se completar passa a ser

superior a 36 horas, e, mesmo assim, a fermentação acaba ficando incompleta.

Para a determinação de µmax pelo método dinâmico: Coloca-se um valor de D maior que de

µmax de modo que haja um arraste de células do reator. Plotando-se ln (X/Xi) em função do

tempo, obtém-se uma reta na qual o coeficiente angular é igual a µmax – D. Como D é um

valor conhecido, calcula-se o valor de µmax.