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biorreatores

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26/03/2013 
1 
Biorreatores e 
Processos Fermentativos 
Aula 5 – Profa. Dra Ilana L. B. C. Camargo 
Ciências Físicas e Biomoleculares 
IFSC - USP 
Biotecnologia do bioprocesso tem três estágios: 
Processo “Upstream” 
Biorreatores e biorreação 
Processo “Downstream” 
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Parte I 
Bioprocesso – aplicação industrial de reações ou vias biológicas 
mediadas por células vivas inteiras de animais, plantas ou 
microrganismos, ou enzimas sobre condições controladas para a 
biotransformação de matérias primas em produtos. 
 
Produto – alimento, medicamento ou composto industrial 
 
Bioprocesso também pode ocorrer sem resultar em um produto 
direto – biorremediação, desintoxicação de resíduos ou de efluentes 
com ou sem subproduto ou derivados 
 
 
 
Escala laboratorial Escala industrial 
Estágios do processo produtivo 
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Biorreatores, reatores bioquímicos, reatores biológicos 
são os reatores químicos nos quais ocorrem uma série 
de reações químicas catalisadas por biocatalisadores 
Enzimas 
Reatores 
enzimáticos ou 
Bioquímicos 
Células vivas 
 
Biorreatores 
ou Reatores 
Biológicos 
Biorreatores 
Sistema não asséptico – onde não é absolutamente necessário 
se operar com culturas inteiramente puras (sistemas de 
descarte de efluentes); 
 
 
Sistema asséptico – onde as condições de assepsia são pré-
requisitos para a formação do produto com sucesso; 
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Nem todo processo de fermentação precisa 
ser livre de contaminações!! 
Antigamente, a maceração das uvas era feita com os pés!! 
Produção caseira dos vinhos 
http://www.viagemesabor.com.br/noticias/roteiros/br/norte/para/marajo 
Nem todo processo de fermentação precisa ser livre de 
contaminações!! 
Queijo de leite de búfala 
Tanque de maceração das uvas 
Produção de vinhos 
(Hoje: prensa hidráulica) 
Quanto mais controle se tem sobre o processo de fermentação, maior é a 
facilidade em se manter a qualidade e garantir a reprodução do processo. 
Produção artesanal de queijo, vinho, vinagre, iogurte e cerveja, muitas 
vezes eram processadas satisfatoriamente, mesmo sob condições 
precárias de assepsia 
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Chaim Weizmann e colaboradores, Inglaterra (1914-1918) 
 
Início de FERMENTAÇÃO CONTROLADA 
 
Processo submerso anaeróbio de produção de acetona-butanol 
 - grande escala com condições total de assepsia; 
 - condições estritas de anaerobiose (Clostridium 
 acetobutylicum); 
 
Proteção contra aeróbios, mas não impedia a 
contaminação por bacteriófagos!! 
Dióxido de enxofre (conservante) 
Hoje: prensa hidráulica 
Maceração das uvas 
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Biorreator ou fermentador 
Biorreator ou fermentador 
Variação em forma e tamanho dependendo da aplicação 
 
O design do biorreator depende de um número de fatores que incluem: 
 
-Tipo de células 
-Tipo de reação metabólica 
-Informação sobre a transferência de massa e calor 
-Viscosidade e homogeneização 
 
 
Tamanhos: 
 
-Frascos agitados (erlenmeyers): 100 – 1.000 mL 
-Fermentadores de bancada: 1 L – 30L 
-Fermentadores piloto: 100 – 1.000 L 
-Fermentadores industriais: 1.000 – 1.000.000 L 
 
Também podem ser bandejas, garrafas (fermentação sólida), colunas 
(imobilização células ou enzimas) 
 
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Biorreator ou fermentador 
1943 – EUA, Primeira planta industrial de fermentação para produção de 
penicilina em fermentadores de aço-carbono de 54 m3 
• Reatores em aço-carbono 
 
• Sistemas de agitação e aeração 
 
• Fundo e tampa torriesféricos 
esterilizáveis 
 
• Entrada para a adição de inóculo 
 
• Antiespumante 
 
• Coleta de amostras 
 
•Descarga e saída dos gases 
formados durante a fermentação, 
etc. 
Biorreator ou fermentador 
Padrões de materiais usados nos fermentadores sofisticados: 
 Todos os materiais que estão em contato com as soluções ou com a 
cultura do organismo devem ser resistentes à corrosão para prevenir a 
contaminação do processo com traços de metais; 
 Não podem ser tóxicos pois se houver alguma dissolução do material 
ou componente não haverá inibição do crescimento da cultura; 
 
 Materiais precisam suportar repetidas esterilizações por vapor em alta 
pressão; 
 O sistema de agitação, portas de entrada e de saída devem ser rígidas 
o suficiente para não deformar ou quebrar sob estresse mecânico; 
 Inspeção visual do meio e cultura é uma vantagem, por isso deve haver 
materiais transparentes quando possível 
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Biorreator ou fermentador 
Sistema de agitação 
Agitadores: turbinas 
Sonda pH 
Sonda oxigênio dissolvido 
Camisa de 
 resfriamento 
Reator agitado 
mecanicamente 
(STR: stirred tank reactor) 
• Tanque cilíndrico vertical; 
• Agitado mecanicamente ou não; 
• Provido de sistema de 
aquecimento e resfriamento; 
• Demais controles necessários 
ao processo; 
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Serpentinas 
Estudo atual 
 
Aumento de escala 
 
12 Kg  800 Kg 
http://www.cetem.gov.br/publicacao/CTs/CT2005-084-00.pdf 
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Capacidade dos biorreatores de escala 
industrial 
1- Pequena escala: 1 a 2 m3 de capacidade – cultivo de microrganismos 
patogênicos, ou para crescimento de células animais ou vegetais. Em geral, seu 
uso tem como objetivo produtos ligados à área de saúde 
 
2 – Escala intermediária: dezenas de metros cúbicos até 100 a 200 m3 – 
especificamente empregado na produção de enzimas, antibióticos e vitaminas. 
 
3- Grande escala: reatores com milhares de metros cúbicos de capacidade - 
para processos que exigem poucos ou até mesmo nenhum cuidado de 
assepsia: fermentação alcoólica ou do tratamento biológico de resíduos 
1- O reator deve ser capaz de manter-se estéril por muitos 
dias, trabalhar sem problemas por longos períodos e 
satisfazer todas as exigências legislativas de contenção 
ambiental; 
 
2- As exigências metabólicas dos microrganismos, quanto a 
aeração e agitação, devem ser plenamente satisfeitas, 
mantendo porém a integridade física dos mesmos; 
Função primária de fermentação 
• fornecer condições ambientais adequadas ao crescimento 
dos microrganismos 
 
Para tanto, 12 pontos devem ser observados: 
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6- Um sistema de tomada de amostras à prova de contaminação 
do conteúdo do fermentador deve ser parte integrante do 
equipamento. 
 
3- A potência absorvida deve ser a menor possível; 
 
4- Um eficiente sistema de controle de temperatura deve estar 
disponível; 
 
5- Um sistema de controle de pH deve estar disponível; 
 
Para tanto, 12 pontos devem ser observados: 
7- Perdas por evaporação devem ser mantidas ao mínimo; 
 
8- Eficiente sistema de controle dos gases e saída do 
fermentador devem estar disponíveis; 
 
10 – O reator deve preencher, sempre que possível, a 
característica de multi-propósito, contudo, a regulamentação 
de contenção ambiental e a possibilidade de contaminações 
cruzadas podem ser fatores limitantes 
 
9 - O reator deve exigir o mínimo em mão-de-obra para sua 
operação, limpeza e manutenção; 
 
Para tanto, 12 pontos devem ser observados: 
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11- O reator deve ter as superfícies internas polidas e todas as 
suas conexões, na medida do possível, devem ser soldadas 
e não rosqueadas; 
 12- Na medida do possível, o reator deve manter uma 
geometria similar à dos reatores menores ou maiores, a fim 
de facilitar a ampliação de escala do processo. 
Para tanto, 12 pontos devem ser observados: 
Biorreator de bancada 
http://www.faperj.br/boletim_interna.phtml?obj_id=3930
Escala laboratorial 
~1L 
Biorreator ou fermentador 
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Biorreator ou fermentador 
Composição: Reatores de bancada 
1. Reatores de vidro com fundo arredondado ou chato e tampa 
superior de inox ligada ao corpo por uma flange. Diâmetro 
máximo = 60 cm. 
 vidro borossilicato  esterilizado em autoclave; 
2. Reatores com corpo cilíndrico de vidro, com tampas superior 
e inferior em aço inoxidável. Esterilizado in situ (10-20L). 
http://www.ars-fla.com/Mainpages/Bio-Reactor/bioreactor.html 
Biorreator ou fermentador 
Composição: Reatores Pilotos e industriais 
Volumes: 50 L a 500 m3 
Analisar materiais quanto: 
- Capacidade de resistir às pressões de esterilização 
- Resistência à corrosão 
- Toxicidade dos produtos resultante de uma eventual corrosão; 
- Custo do material 
 
Aço inoxidável 316 – considerado adequado 
 não resolve todos os problemas: produção de ácido cítrico 
 pH 1 ou pH 2  corrosão 
 Inox 317 com 3-4% de molibdênio 
 
Classes de aço inox no Brasil segue American Iron and Steel Institute (AISI) 
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Tipo de 
aço 
Carbono Cromo Níquel Titânio Molibdênio 
304 0,08 18-20 8-11 - - 
304L 0,03 18-20 8-11 - - 
321 0,08 17-19 9-12 ≥ 5 xC - 
316 0,08 16-18 10-14 - 2-3 
316L 0,03 16-18 10-14 - 2-3 
Tabela 1. Composição de alguns tipos de aços inoxidáveis 
AISI. Composição nominal (%). 
Fermentação com células animais  corrosão dos metais 
pesados  insuspeitáveis problemas 
Biorreator ou fermentador 
Composição: Reatores Pilotos e industriais 
Outros materiais: 
 
Cobre (cervejarias – resistência pelas leveduras chega a 30 ppm) 
Alumínio – raramente utilizado pois reagentes podem atacá-lo; 
Níquel – elevada resistência à corrosão; 
Titânio – alto custo; 
Vidro borossilicato – instalação de visores; 
Plásticos – resistentes à corrosão, mas alguns não resistem 
muito a solventes (polietileno, polipropileno, PVC rígido...) 
Aço carbono – Ferro + carbono: utilizado nos primeiros reatores 
empregados na produção de penicilina. Não é mais utilizado 
devido à dificuldade de limpeza e contaminação do produto 
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Fermentação microbiana: um sistema de três fases 
 
 
 
 
1. Fase líquida: contém sais, substratos e metabólitos dissolvidos. 
Pode também possuir substrato imiscível em água; 
 
2. Fase sólida: consiste nas células, substratos ou produtos insolúveis; 
 
3. Fase gasosa: oxigênio, CO2 
1 - Oxigênio 
 
2 - Temperatura 
 
3 - pH 
Fatores importantes: 
Entrada de 
Inóculo 
meios/nutrientes 
anti-espumante 
Sistema de aeração 
Sistema de 
colheita 
de amostras 
Sistema de agitação 
Sondas para 
determinação de 
pH 
pO2 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
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1- Oxigênio 
Processos aeróbios têm destaque na Biotecnologia Industrial, pois 
estão envolvidos no cultivo de microrganismo para produção de 
antibióticos, enzimas, vitaminas, fermentos e inoculantes, proteínas 
recombinantes (hormônios, insulina), etc. 
 
Processos fermentativos envolvendo cultivo de células aeróbias ou 
aneróbias facultativas visando formação de produtos ou tratamento 
biológico de águas residuárias têm em comum o aspecto de exigirem 
um adequado dimensionamento do sistema de transferência de 
oxigênio (fase gasosa  fase líquida) 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
1- Oxigênio 
(Tortora, Funke & Case, 2000) 
Último elemento a aceitar elétrons 
Permite: 
- Armazenamento de energia – ATP; 
- Reoxidação das coenzimas que participam 
das reações de desidrogenação. 
 
NADH 
NADH 
NADH 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
Diagrams: 
Prokaryotic Mariana Ruiz 
Binary Fission, JW Schmidt6 
 
Participam das reações de síntese de 
moléculas levando à sobrevivência 
das células e ao surgimento de novas 
células no processo de proliferação da 
biomassa microbiana, para a qual a 
energia é fundamental. 
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1- Oxigênio C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O 
Para a oxidação de 1 mol de glicose, é necessário o consumo de 
6 mols de O2 
Glicose é bastante solúvel, já O2 é pouco solúvel em água. 
A concentração de oxigênio dissolvido na saturação é apenas da ordem 
de 7 mg O2/L (7ppm), ao se borbulhar ar atmosférico à pressão de 1 atm 
e a 35oC. 
 
Nada adianta alimentar o biorreator se não houver um ótimo 
sistema de transferência de oxigênio 
http://www.pptechnologygroup.com/cfd_engineering.htm 
- Transferência entre fases gasosa e aquosa; 
- Oxigênio dissolvido deve chegar às células; 
- Oxigênio deve penetrar nas células; 
- Oxigênio deve ser consumido na reação 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
1- Oxigênio Em reatores não aerados, o oxigênio é 
transferido do espaço livre acima do 
líquido. 
 
A agitação quebra continuamente a 
superfície do líquido e aumenta a área de 
transferência. 
 
O efeito da velocidade de agitação na 
entrada do gás em um biorreator de 2 L : 
300 rpm 450 rpm 750 rpm 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
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1- Oxigênio Chicanas/Baffles 
Aumentam a turbulência e assim, 
melhoram a oxigenação do meio 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
Análise computacional de dinâmica de fluxos 
1- Oxigênio Chicanas, quebra vórtice ou “baffles” 
Aumentam a turbulência e assim, 
melhoram a oxigenação do meio 
Normalmente: 
4 chicanas equidistantes 
Largura: 10% do diâmetro do reator 
Devem ser fixadas a 1 ou 2 cm do corpo do 
fermentador para evitar zonas de estagnação 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
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1- Oxigênio Chicanas afastadas da parede do biorreator 
Evita zonas de estagnação 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
Co 
Co 1 
t0 t1 
Co 
Concentração de Oxigênio 
dissolvida aumenta com a agitação 
C
o
n
c
e
n
tr
a
ç
ã
o
 d
e
 O
2
 
Tempo 
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1- Oxigênio 
Quando a velocidade de agitação é: 
Devagar rápida 
Injetar ar esterilizado 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
•Bolhas não serão quebradas tendendo a subir direto 
para a superfície. Acumulam no eixo do agitador, 
coalescendo e diminuindo a transferência de oxigênio. 
pequena 
•as bolhas pequenas irão circular por todo o reator e 
terão o seu tempo de residência aumentado. 
grande 
 
 
 
 
 
kLa diminui com o 
aumento do volume do 
líquido 
 
 
 
 
 
 
kLa aumenta com a 
área superficial do 
líquido 
 
 
 
 
 
 
 
 
 kLa é maior quando as 
pequenas chicanas estão 
presentes 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
1- Oxigênio 
Métodos para aumentar a taxa de transferência de 
oxigênio (kLa) no sistema: 
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Métodos para aumentar a taxa de transferência de oxigênio (kLa) 
no sistema: 
 
-Aumento da pressão; 
-Aumento da concentração de O2 no ar inserido no reator; 
-Aumento da agitação; 
-Aumento do fluxo de ar; 
-Redução de espumas e remoção de bolhas de ar da superfície. 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
• Meio de fermentação: meios ricos em proteínas tendem
a 
formar mais espuma. Muitas células produzem moléculas 
tipo detergente (ácidos nucléicos e proteínas excretadas 
após lise das células ou compostos lipídicos produzidos 
durante o crescimento); 
 
 
• Taxa de aeração e velocidade do agitador (, formação 
de espuma); 
Fatores que favorecem a formação de espuma: 
Biorreator ou fermentador 
Sistema de Controle de espuma 
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Biorreator ou fermentador 
Sistema de Controle de espuma 
Formação excessiva de espuma pode: 
 
1. Bloquear os filtros de saída de ar; 
2. Aumentar a pressão do biorreator 
 
O controle é feito com a adição de agentes antiespumantes baseados em 
silicone ou óleos vegetais que desestabilizam a espuma pela redução 
da tensão superficial. 
ON-OFF. Uma parte fica no meio e a 
outra acima do nível do líquido. 
Quando a espuma atinge a superfície 
do sensor que está em cima, existe a 
produção de uma corrente elétrica 
que é detectada pelo controlador, 
resultando na ativação da bomba. 
Fatores que auxiliam na diminuição da formação da espuma: 
 
• O volume livre no reator: em sistemas nos quais a espuma é formada 
facilmente, o volume de trabalho deve ser reduzido para facilitar o controle de 
espuma. Quanto maior o volume livre, maior a probabilidade da espuma 
colapsar por causa do seu próprio peso; 
 
Biorreator ou fermentador 
Sistema de Controle de espuma 
 
• Temperatura do condensador: em reatores de laboratório, uma temperatura mais 
baixa pode ajudar no controle da espuma. A densidade da espuma aumenta 
quando ela se move de uma região mais quente para a região fria do 
condensador, causando o colapso da espuma; 
• Quebradores mecânicos de espuma: agitador de alta velocidade. A bolha é 
puxada para o agitador e colapsa por ação de forças mecânicas. Em pequenos 
reatores de laboratório são utilizados quebradores ultrassônicos, que geram 
vibrações de alta frequência responsáveis por quebrar as bolhas da espuma 
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Fatores que alteram a aeração de 
uma cultura microbiana 
Geometria do biorreator 
Wi 
Li 
Di 
C 
HL 
DT 
WB 
Geralmente cilíndricos. São construídos 
em dimensões padrão publicadas pela 
International Standards Organisation e 
British Standards Institution. 
Reatores do tipo STR, em geral: 
-Tanque cilíndrico 
-Relação de altura:diâmetro (H:D) 
 2:1 ou 3:1 
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Wi 
Li 
Di 
C 
HL 
DT 
WB 
Di = Diâmetro do impelidor (m) 
DT = Diâmetro do tanque (m) 
HL = altura da coluna do líquido (m) 
C = distância do impelidor ao fundo do reator (m) 
Wi = altura da pá da turbina (m) 
WB = altura da chicana (m) 
Esquema de tanque agitado por turbinas de pás 
planas, com indicação de dimensões importantes 
na transmissão de potência ao líquido 
Máxima potência com mais de um impelidor: 
 
Di < Hi < 2Di 
 
Hi = distância entre impelidores 
Número de impelidores para uma 
máxima transferência de potência 
 
> N˚Impelidores > 
HL – Di 
 
Di 
HL – 2Di 
 
Di 
Geometria do biorreator 
Razão 
Valores 
Típicos 
OBS 
Altura do líquido do reator e altura do reator Ht/Hl ~ 0,7 - 0,8 
Depende do nível de espuma 
produzido durante a fermentação 
Altura do reator e diâmetro do tanque Ht/Dt ~ 1 - 2 
Reatores europeus tendem a ser 
mais altos que os projetados nos 
EUA 
Diâmetro do impelidor e diâmetro do tanque Da/Dt 1/3 – 1/2 
Reatores com turb. Rushton são 
geralmente 1/3 do diâmetro do 
tanque. Os de fluxo axial são 
maiores 
Largura das chicanas e diâmetro do tanque Lb/Dt ~0,08 – 0,1 
Geralmente 10% do diâmetro do 
reator 
Altura da pá do impelidor e diâmetro do impelidor W/Da 0,2 
Largura da pá do impelidor e diâmetro do impelidor L/Da 0,25 
Distância média entre o impelidor e a saída de gás e 
altura da pá 
E/W 1 
Geometria do biorreator 
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Geometria do biorreator 
Fluxos: Axial e Radial 
Geometria do biorreator 
Fluxo axial: o líquido é dirigido para 
a base do reator, isto é, paralelo ao 
eixo do agitador. São deficientes em 
gerar turbulência e quebra das 
bolhas de ar, o que os tornam 
indesejáveis para cultivos aerados. 
Algumas marcas comerciais: 
Impelidor Lightnin 320, Impelidor 
KPC – KROMA, Impelidor Pitched 
 
 Impelidor Lightnin  
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26 
Geometria do biorreator 
No fluxo radial, o líquido é inicialmente 
dirigido a parede do reator, isto é, ao 
longo do raio do tanque. Não é tão 
eficiente quanto o fluxo axial. Maior 
quantidade de energia é necessária 
para gerar o mesmo fluxo que o axial; 
 
Algumas marcas comerciais: tipo 
Arrowhead, de pás curvas, de pás retas 
verticais, Impelidor Rushton, Impelidor 
Smith. 
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2- Temperatura 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
Reação no 
Biorreator 
Exotérmica 
Endotérmica 
Equipamentos devem ter 
sistema de transferência 
de temperatura. 
podem aquecer o sistema e também podem 
ser úteis para esterilização do biorreator 
antes do início do processo da fermentação; 
Sistema de circulação 
de vapor e água quente 
2- Temperatura 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
Para o resfriamento de culturas, por 
onde pode passar água, por exemplo, 
com temperaturas menores 
Camisa (Jacket) ou 
serpentina de resfriamento 
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2- Temperatura 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
Camisas são cada vez menos utilizadas – reduzida eficiência na 
transferência de calor pela circulação irregular do vapor ou da 
água de refrigeração; 
 
Serpentinas internas permitem boa troca térmica e eficiente 
circulação do fluido em alta velocidade 
 
Inconvenientes: 
a) Reduzem significativamente o volume útil do fermentador; 
b) Dificultam a limpeza interna; 
c) Dificultam a mistura eficiente do meio em fermentadores 
agitados mecanicamente; 
d) Podem ser um foco adicional de contaminação por defeito nas 
soldas difíceis de detectar. 
Serpentinas 
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3- pH 
No biorreator deve haver um sistema de determinação de pH 
assim como uma entrada para balancear a reação com 
ácido/base que não ofereça nenhum risco de contaminação 
para o sistema. 
Temperatura e pH também ficam mais homogêneos com a agitação 
Fatores físico-químicos que devem ser 
considerados em uma fermentação industrial 
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Importância da agitação e mistura 
Agitação adequada é essencial pois proporciona os seguintes 
efeitos nas três fases: 
 
1- Dispersão do ar no meio de cultivo 
 
2- Homogeneização para igualar a temperatura, pH e 
concentração de nutrientes 
 
3- Suspensão dos microrganismos e dos nutrientes sólidos 
 
4- Dispersão de líquidos imiscíveis 
Importância da agitação e mistura 
Quanto maior a agitação, melhor será o crescimento? 
CUIDADO!! 
Agitação excessiva pode romper as células e 
aumentar a temperatura o que ocasiona uma 
redução na viabilidade celular!! 
Deve-se buscar o equilíbrio entre a necessidade 
de mistura do meio evitando-se o dano celular. 
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1. Sistema de agitação; 
2. Sistema de distribuição de O2; 
3. Sistema de controle de espuma; 
4. Sistema de controle de temperatura; 
Características básicas de biorreatores 
5. Sistema de controle de pH; 
6. Portas de amostragem; 
7. Sistema de limpeza e esterilização; 
8. Linhas para esvaziar o biorreator. 
Bibliografia 
 
Schmidell W, Lima UA, Aquarone E, Borzani W. Biotecnologia 
Industrial:
Engenharia Bioquímica. Volume 2. Ed Edgard 
Blücher LTDA, São Paulo, 2001. Cap. 8 e 20 
 
 
Smith JE. Biotechnology. 4th ed. Cambridge University Press, 
2004. Cap. 4

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