O Biorreatores

1) A figura a seguir representa um fenômeno cujos diferentes métodos são aplicados em pesquisas e em plantas industriais. Escreva o nome deste fenômeno, defina-o, classifique-o e aborde suas vantagens e desvantagens.

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R= O fenômeno é imobilização celular. A figura representa diferentes métodos de imobilização celular de microrganismos.

A imobilização das células não necessita de separação ou reciclo. 

A imobilização pode ser natural ou artificial.

A imobilização natural acontece de forma espontânea, através de interações eletrostáticas. Na imobilização artificial, há uma ligação entre as células e às matrizes através de ligações covalentes, usando agentes ligantes como glutaraldeído ou carbodiimida.

Uma das complicações da imobilização artificial é se fazer necessário a operação única de formação de partículas de células imobilizadas, tornando maior o custo do processo, e as células imobilizadas têm uma redução de tempo de meia-vida por perderem a atividade ou morrerem. Portanto, as células imobilizadas em suporte, principalmente em géis, têm crescimento consideravelmente retardado por motivos como restrições físicas, redução de nutrientes e acúmulo de metabólitos tóxicos, por motivo da grande limitação da transferência de massa.

 A imobilização natural de células ativas trabalhando em leito fluidizado mostra várias vantagens, em comparação com outros tipos de imobilização, principalmente se comparada a métodos com géis poliméricos.

A tecnologia desse processo deve conservar a atividade catalítica pretendida do microrganismo, para utilização tanto na escala de laboratório quanto industrial, e essa tecnologia se limita a formação de metabólitos extracelulares ou uso de microrganismos como biocatalizadores. 

A imobilização celular é uma alternativa utilizada no uso dos sistemas sólidos de fermentação. Para obter sucesso nesse processo, é fundamental a escolha correta da metodologia a ser utilizada. Elementos como tamanho do poro, grau de hidrofobicidade da matriz, porosidade afetam na intensidade da adesão celular.

Além da classificação em naturais e artificiais, podem ser divididas em quatro categorias de acordo com os tipos de confinamento: imobilização em superfície, engaiolamento em matriz porosa, floculação celular e barreiras de contenção mecânica.

Imobilização na superfície de suporte:

 No método adsorção o material biológico adere a suportes não funcionalizados.  

  O crescimento das células que foram imobilizadas por adsorção não tem crescimento consideravelmente afetado.

O método de adsorção é usado por ser simples, ter custo baixo, ter a manipulação facilitada e alta variedade de suportes.

No entanto há a possibilidade de as células serem arrastadas pra fora do biorreator, por motivo da adsorção das células ser normalmente fraca. 

A imobilização natural acontece de forma natural através de interações eletrostáticas.

Na imobilização artificial a ligação das células às matrizes acontece por ligações covalentes, fazendo uso de agentes ligantes.

Engaiolamento em matriz porosa:

 Baseia-se na difusão artificial das células, que ficam introduzidas em uma malha rígida, ou semi-rígida. Contém malha bastante fechada, impedindo a saída das células para o mosto, o que resolve o problema para transferir a massa que há na imobilização por formação de biofilme, porém há maior critério na escolha da matriz usada.

Floculação celular:

Ocorre a agregação das células de forma natural ou impulsionada por um agente ligante artificialmente. Na floculação ocorre um fenômeno onde células isoladas, e elevadas no líquido, são agregadas para formação de flocos, que é a autoimobilização, que gera uma ágil flotação ou sedimentação. São de natureza genética, fisiológica, ambiental e estrutural.

 Essas técnicas apresentam menos complicações relacionados a transferência de massa, porém precisa de maior controle das condições físico-químicas do mosto e meio de cultivo, uma vez que a junção de células decorre de aspectos como a quantidade do oxigênio dissolvido, temperatura, Ph e tensão da superfície do meio. Há a floculação artificial, que muda apenas por ter uma molécula intermediária no meio, com capacidade de proporcionar ligação entre uma célula e outra.

A floculação é muito utilizada para produção de bebidas, especialmente na produção de vinhos e cervejas, visto que o uso de leveduras interfere positivamente o aumento da produtividade e melhoria da qualidade de produtos.

Barreiras de contenção mecânica:

Nesse método as células ficam somente envolvidas por uma membrana, não havendo uma malha entre as células envolvidas por ela.

. Baseia-se na contenção de células em membranas filtrantes microporosas, (contenção de micromembranas) microencapsulação, ou microencapsulação interfacial, onde há interação entre superfícies de dois líquidos imisturáveis.

São bastante usadas em fermentações contínuas.

A dimensão da barreira de contenção gerada ao redor das células dependerá da densidade da solução polimérica, velocidade de fluxo, e da concentração da solução iônica, onde o gel será gerado.

VANTAGENS: Uma das principais vantagens da imobilização celular é a possibilidade de reutilização das células imobilizadas, especialmente se os suportes selecionados para imobilização são fixos e propicia grande resistência mecânica. 

A imobilização celular não necessita de etapas de extração, purificação e isolamento, sendo assim, uma opção para imobilização de enzimas.

Esse método permite maior concentração celular no interior dos fermentadores, gerando maior produtividade.

Não necessita de separação ou reciclo.

DESVANTAGENS:

• Pode ser não econômico; 
• Há limites na transferência de massa, e isso pode influenciar a fisiologia e cinética do crescimento celular; 
• Matriz usada pode ser rompida por motivo de crescimento celular e a evolução de gases, em virtude a transferência de oxigênio ter limitação;
• Pode haver reações não desejáveis devido a presença de diversas enzimas;
• Há o desprendimento de células e enzimas do suporte.

2) Dois tipos básicos de fermentação são utilizados para a produção de enzimas: a fermentação submersa (FS) e a fermentação em estado sólido (FES). Conceitue cada uma, destacando suas vantagens e desvantagens.

FERMENTAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO (FES)

A fermentação em estado sólido (FES), uma técnica milenar no Oriente, especialmente na Ásia, onde os fungos são cultivados sem a presença de  água em um substrato sólido, e é estabelecido a partir do crescimento do microrganismo em materiais sólidos umedecidos na inexistência total ou quase total de água livre, fazendo assim que essa condição de crescimento procure ser o mais próximo do habitat natural do fungo. Porém, há complicações no momento de eleger microrganismos com capacidade de crescer com condições de baixa umidade, condições controladas de umidade, pH fluxo de ar continua tornando-se uma das limitações desse processo.