Aula 2 - Tipos de biorreatores e bioprocessos para produção de fármacos e medicamentos

1. 1. 1. FIX FIGURES ######

Objetivo Geral

Apresentar os diferentes tipos de biorreatores aplicados na indústria de bioprocessos, evidenciando suas características, vantagens e aplicações, além de destacar as diferenças em relação aos reatores químicos.

Objetivos Específicos

Explicar os diversos tipos de biorreatores e suas características funcionais.
Demonstrar as diferenças entre os sistemas de biorreatores e correlacioná-las com suas aplicações práticas.
Discutir a importância dos biorreatores na otimização dos processos fermentativos e na produção de bioprodutos.

Prezi – Apresentação Visual

Exercícios Bônus

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Siglas

**STR:** Reator de Tanque Agitado (Stirred Tank Reactor)
**ATP:** Adenosina Trifosfato
**pH:** Potencial Hidrogeniônico
**PCR:** Reação em Cadeia da Polimerase

Definições

**Biorreator:** Equipamento utilizado para o cultivo de microrganismos, células ou enzimas em condições controladas, visando à produção de biomoléculas ou bioprodutos.
**Bioprocesso:** Conjunto de operações integradas que utilizam sistemas biológicos para a transformação de matéria-prima em produtos de interesse, envolvendo etapas de cultivo, extração, purificação e formulação.
**Reator Químico:** Dispositivo onde ocorrem reações químicas com reagentes e catalisadores não biológicos, que produzem produtos de maneira padronizada.

Definição Geral

Os reatores químicos operam com substâncias que, sob condições controladas, reagem de maneira padronizada para gerar um produto específico. Em contraste, os biorreatores utilizam organismos vivos (células ou enzimas) que, devido às características metabólicas dos sistemas biológicos, podem apresentar variações nos processos catalíticos. Para garantir a eficiência e a segurança dos processos fermentativos, é fundamental controlar parâmetros como esterilidade, agitação, aeração, cisalhamento, temperatura, pH, nutrientes e controle de espuma.

Breve Histórico

**6000 a.C.:** Processos fermentativos para bebidas alcoólicas (cerveja e vinho).
**2000 a.C.:** Início da panificação e produção de bebidas fermentadas.
**1875 d.C.:** Pasteur demonstra que microrganismos realizam a fermentação.
**1880–1910:** Desenvolvimento da fermentação industrial (ácido láctico, etanol, vinagre).
**1910–1940:** Síntese de glicerol, acetona e ácido cítrico.
**1940–1950:** Produção em larga escala de antibióticos via fermentação.
**1953:** Elucidação da estrutura do DNA.
**1973:** Início da engenharia genética.
**1982:** Produção de insulina humana.
**1983:** Criação da primeira planta transgênica (tabaco resistente).
**1985:** Desenvolvimento do PCR por K. Mullis.
**1986:** Aprovação do primeiro interferon produzido por engenharia genética.
**1989:** Experimentos com plantas geneticamente modificadas para produção de proteínas terapêuticas.
**1990:** Aprovação do primeiro produto alimentício derivado da engenharia genética.
**1994:** Comercialização do tomate Flavr Savr.
**1996:** Clonagem da ovelha Dolly.
**2000:** Desenvolvimento do “arroz dourado” com maior teor de betacaroteno.
**2004:** Aprovação pelo FDA do anticorpo humanizado Avastin®.

Processo Fermentativo

**Substratos Solúveis:** Açúcares (sacarose, glicose, frutose, lactose) extraídos de cana-de-açúcar, beterraba, melaço ou soro de leite.
**Substratos Insolúveis:** Matérias-primas como amido de milho e mandioca, que necessitam de pré-tratamento para solubilização.
**Substratos Altamente Resistentes:** Materiais como celulose e hemicelulose, que requerem tratamento físico e químico/enzimático para serem convertidos em açúcares.

Além disso, os processos fermentativos dependem de:

**Fonte de Energia:** Geralmente fornecida por amido ou melaço, essenciais para a produção de ATP.
**Fonte de Carbono:** Suprida pelo substrato ou, para organismos autotróficos, pelo dióxido de carbono.
**Fonte de Nitrogênio:** Proveniente de amônia, sais ou compostos orgânicos (farelo de soja, farelo de amendoim, extrato de levedura, etc.).
**Fonte de Minerais:** Nutrientes como fósforo, magnésio, cálcio, potássio, enxofre e micronutrientes (ferro, cobalto, cobre, zinco) são cruciais para o crescimento e atividade celular.

Tipos de Sistemas de Biorreatores

1. Reator de Tanque Agitado (STR): Tanque cilíndrico (de metal ou vidro) com agitação mecânica para promover a aeração e homogeneização. Equipado com sensores (temperatura, pH) e sistema de controle de espuma, embora possa gerar altas tensões de cisalhamento.

2. Air Lift: Utiliza tubulações para promover a circulação do líquido por meio do bombeamento de ar, garantindo agitação com baixa tensão de cisalhamento.

Figura 4 – Biorreator Air Lift

3. Open Pond: Sistema em formato de lagoa com canais de recirculação, permitindo escalabilidade e fácil manutenção, frequentemente usado na produção de bioenergia e no tratamento de resíduos.

4. Biofilme: Reatores que promovem a formação de um biofilme nas paredes, onde os microrganismos imobilizados produzem os bioprodutos, facilitando a separação da cepa produtiva.

5. Biostat: Sistemas descartáveis, geralmente fabricados em plástico, que eliminam a necessidade de limpeza, reduzindo custos. Possuem tanques agitados escalonáveis com sensores integrados para monitoramento dos parâmetros.

6. Fotobiorreator: Reatores constituídos por tubos ou canos de vidro/plástico que otimizam a penetração de luz, essenciais para culturas fotossintéticas. Podem ser utilizados em ambientes internos com iluminação artificial ou expostos à luz solar.

7. Biorreatores de Fluxo Pistonado (Plug-Flow): O inóculo e o meio se misturam na entrada e o fluxo laminar permite variação na concentração de nutrientes ao longo do reator.

Ficheiro:Figura 7.png

Figura 8 – Fotobiorreator tubular horizontal

8. Biorreatores Estáticos: Caracterizados pela ausência de agitação, podem ser do tipo leito fixo (sem movimentação dos pellets) ou leito fluidizado (com movimentação induzida por injeção de ar ou recirculação do líquido).

9. Biorreatores Confinados: Mantêm as células entre membranas semipermeáveis, permitindo o fluxo de nutrientes enquanto retêm as células, minimizando as tensões de cisalhamento e facilitando a purificação dos produtos.

10. Biorreatores de Fase Não Aquosa: Utilizados em fermentação semi-sólida, onde a umidade varia de 30% a 80%. Podem ser do tipo “bandejas” (com menor transferência de oxigênio) ou “agitados (rotatórios)” (melhor homogeneização e transferência de oxigênio).

Contextualização com a Atualidade

1. Reator de Onda (Wave): Biorreator descartável que utiliza uma bolsa estéril para o cultivo celular e uma plataforma que controla agitação, temperatura e pH. Indicado para culturas de células de mamíferos, onde a baixa tensão de cisalhamento é crucial, apesar do custo elevado. 2. Microfluídica: Sistemas de canais em escala micrométrica que incorporam elementos funcionais (aquecedores, sensores, micro-misturadores) para o controle térmico e químico. Ideais para experimentos e análises rápidas com baixo consumo de reagentes, embora não sejam economicamente viáveis para produção em larga escala.

Curiosidades

Biólogo Marinho Constrói Casa Submarina Auto-sustentável: Lloyd Godson construiu, em 2007, uma casa feita de aço e concreto que utiliza um biorreator fotossintético para manter a iluminação e alimentação das plantas, promovendo um ambiente sustentável.

Cupins – Os Biorreatores Naturais: Os cupins desempenham um papel fundamental na degradação da matéria vegetal, funcionando como biorreatores naturais ao transformar materiais lignocelulósicos em açúcares e contribuindo para a ciclagem de carbono e nitrogênio no ambiente.

Ficheiro:Figura 8.png

Figura 15 – Biorreator Wave

Ficheiro:Figura 9.png

Figura 16.1 – Reator Microfluídico

Ficheiro:Figura 9.1.png

Figura 16.2 – Reator Microfluídico

Referências

[1] G.T. Benz, *Bioreactor Design for Chemical Engineers*, Am. Inst. Chem. Eng. (2011) 21–26.
[2] A. Grünberger et al., "A disposable picolitre bioreactor for cultivation and investigation of industrially relevant bacteria on the single cell level," *Lab Chip* 12 (2012) 2060. doi:10.1039/c2lc40156h.
[3] J. Liu et al., "Efficiency of laccase production in a 65-L air-lift reactor for potential green industrial and environmental application," *J. Clean. Prod.* 39 (2013) 154–160. doi:10.1016/j.jclepro.2012.08.004.
[4] Camargo, Ilana L. B. C. *Biorreatores e Processos Fermentativos*. São Carlos: IFSC-USP, 2015. Disponível em: [Google Drive](https://drive.google.com/drive/folders/0B3rS6DAukwRHaEtPcDZFQVZwTGc). Acesso em: 18 maio 2016.
[5] Molino, João Vitor Dutra, *Apresentação da disciplina e da área de tecnologia de fermentação*. Santo André; Aula expositiva, 2016. Disponível em: [Wikiversity](https://pt.wikiversity.org/wiki/Aula_5_-_Bioreatores).
[6] Caruso, Sâmia Rigotto. *Desenvolvimento de um micro processo para expansão de células mesenquimais estromais multipotentes em microcarregadores*. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, 2012.
[7] Schianti, Juliana de Novais. *Sistemas microfluídicos aplicados na produção de micro e nanopartículas*. Tese (Doutorado) – Escola Politécnica da USP, 2012. Disponível em: [USP Teses](http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/.../tese_JulianaSchianti_unprotected.pdf). Acesso em: 06 jun. 2016.
[8] De Sá Ferreira, Karina et al. "PRODUÇÃO BIOFÁRMACO ESTREPTOQUINASE A PARTIR DE BIORREATOR", *UNILUS Ensino e Pesquisa*, v. 13, n. 30, p. 187, 2016.
[9] Da Cunha, Daniele Colembergue. *Modelagem, simulação e otimização de biorreatores de leito fixo para fermentação/bioprocesso em estado sólido*. Tese de Doutorado – Universidade Federal do Rio Grande, 2009.
[10] Escola de Engenharia de Lorena, EEL/USP. *Tipos de Biorreatores*, Novembro de 2009.
[11] Franco Cairo, João Paulo Lourenço. *Análise do digestoma do cupim inferior Coptotermes gestroi visando aplicação na produção de bioprodutos lignocelulósicos*. Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia, Campinas, SP, 2012. Disponível em: [Unicamp Digital](http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=000863440). Acesso em: 1 abr. 2017.
[12] Empreendimentos Imobiliários – "Biólogo marinho constrói casa de baixo d’água". Disponível em: [Mamempreendimentos](https://mamempreendimentos.wordpress.com/2015/11/10/curiosidade-biologo-marinho-constroi-casa-debaixo-dagua/). Acesso em: 24 abr. 2017.
[13] Portal BR Notícias – "10 curiosidades que talvez você não saiba". Disponível em: [Portal BR Notícias](http://portalbrnoticia.blogspot.com.br/2014/06/10-curiosidades-que-talvez-voce-nao.html). Acesso em: 24 abr. 2017.