BIOTECNOLOGIA NA INDÚSTRIA F

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36 Biotecnologia CiŒncia & Desenvolvimento - n” 37 BIOTECNOLOGIA NA INDSTRIA FARMAC˚UTICA Revisªo dos principais processos RogØrio Saad Vaz, BMD, Ph.D., Coordenador do curso de Biomedicina da Faculdade Pequeno Prncipe Pesquisador do Instituto PelØ Pequeno Prncipe [email protected] Maria Rosa Machado Prado, M.Sc. , Professora Adjunta do curso de FarmÆcia da Universidade Positivo [email protected] FÆtima de Carvalho, M.Sc., Professora Adjunta do curso de FarmÆcia da Universidade Positivo [email protected] indœstria farmacŒutica necessita de processos biotecnolgicos para obtenªo de vÆrios produtos impor- tantes para a saœde humana e ani- mal. A histria da biotecnologia moderna comea inclusive com o desenvolvimento de um medicamento, a penicilina, na primeira metade do sØculo XX. A partir de entªo, pro- cessos biotecnolgicos sªo utilizados na pro- duªo de vitaminas, hormnios, antibiti- cos, vacinas e enzimas. Este trabalho apre- senta as caractersticas gerais desses proces- sos. Na biotecnologia industrial o reator Ø o ele- mento central, pois Ø nele que se desen- volvem as transformaıes de interesse; embora fundamental, nªo Ø o mais impor- tante do processo. Dois conjuntos de ope- raıes devem ser considerados: 1) Os tratamentos iniciais (Upstream pro- cesses)- antecedem a operaªo. 2) Os tratamentos finais (downstream pro- cesses)- englobam a separaªo e a purifi- caªo dos produtos e tratamentos dos resi- duos (Borzani et al,2001) O sucesso de um dado processo fermenta- tivo depende muito de uma correta defini- ªo de 4 pontos bÆsicos: microrganismo, meio de cultura, a forma de conduªo do processo fermentativo e as etapas de recu- peraªo do produto (Schmidell et al., 2001). Os trŒs primeiros itens fazem parte dos ups- tream processes enquanto o œltimo do do- wnstream processes. Na verdade, esses quatro pilares de um processo fermentativo interagem enorme- mente, sendo necessÆrio buscar defin-los de forma conjunta, levando em considera- ªo aspectos biolgicos e econmicos. O desempenho de um dado microrganismo depende muito da composiªo do meio de cultura em que este Ø colocado. A seguir, serªo abordados cada um destes pilares. 1- TIPOS DE MICRORGANISMOS Sªo divididos em vrus, procariontes (bac- tØrias e cianofceas) e eucariontes (fungos, protozoÆrios, algas, cultura de tecidos ani- mais e vegetais). Os vrus patogŒnicos apre- sentam interesse para vacinas, enquanto que vrus bacterifagos sªo importantes para estudos genØticos ( para mapeamento da posiªo dos genes e para construªo de novas cepas por transduªo ou recombina- ªo. Na recombinaªo, fagos sªo usados como vetores para introduzir DNA estra- nho na cØlula (Moo-Young). BactØrias e fungos sªo os microrganismos responsÆveis pela maioria dos processos biotecnolgicos farmacŒuticos. As catego- rias de produtos da fermentaªo bacteriana sªo: - single cell protein ou biomassa - produtos finais (ex: solventes e Æcidos) - metablitos primÆrios (ex: aa., enzimas e nucletideos) - metabolitos secundÆrios (ex: anticorpos, pigmentos e polisacardeos) A composiªo do meio pode influenciar o metabolismo das cØlulas diretamente atra- vØs da nutriªo ou indiretamente e pela alteraªo da forma do crescimento como a eficiŒncia da aeraªo- particular e impor- tante quando hÆ crescimento de organis- mos filamentosos (Moo-Young). A cultura de tecidos de cØlulas animais (rØp- teis, peixes, aves, anfbios, insetos) e ve- getais cultivadas em larga escala para pro- duªo de vacinas, para acœmulo de meta- blitos celulares e para bioconversªo de substratos como esterides e alcalides. A cultura de tecidos de cØlulas vegetais para produªo de agentes farmacologicamente ativos Ø uma Ærea promissora. A obtenªo desses microrganismos pode ser feita de vÆrias maneiras: isolamento a partir de recursos naturais; compra em coleıes de culturas; obtenªo de mutantes naturais; obtenªo de mutantes induzidos por mØto- dos convencionais; obtenªo de microrga- nismos recombinantes por tØcnicas de en- genharia genØtica. Para uma aplicaªo industrial, espera-se que os microrganismos apresentem as seguin- tes caractersticas gerais: - apresentar elevada eficiŒncia na conver- sªo do substrato em produto; - permitir o acœmulo do produto no meio, de forma a se ter elevada concentraªo do produto no caldo fermentado; - nªo produzir substncias incompatveis com o produto; - apresentar constncia quanto ao compor- tamento fisiolgico; - nªo ser patogŒnico; - nªo exigir condiıes de processo muito complexas; - nªo exigir meios de cultura dispendiosos; Pesquisa

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BIOTECNOLOGIA NA INDÚSTRIAFARMACÊUTICA

Revisão dos principais processos

Rogério Saad Vaz, BMD, Ph.D.,Coordenador do curso de Biomedicina daFaculdade Pequeno PríncipePesquisador do Instituto Pelé PequenoPrí[email protected]

Maria Rosa Machado Prado, M.Sc. ,Professora Adjunta do curso de Farmáciada Universidade [email protected]

Fátima de Carvalho, M.Sc., ProfessoraAdjunta do curso de Farmácia daUniversidade [email protected]

indústria farmacêutica necessitade processos biotecnológicos paraobtenção de vários produtos impor-tantes para a saúde humana e ani-

mal. A história da biotecnologia modernacomeça inclusive com o desenvolvimento deum medicamento, a penicilina, na primeirametade do século XX. A partir de então, pro-cessos biotecnológicos são utilizados na pro-dução de vitaminas, hormônios, antibióti-cos, vacinas e enzimas. Este trabalho apre-senta as características gerais desses proces-sos.

Na biotecnologia industrial o reator é o ele-mento central, pois é nele que se desen-volvem as transformações de interesse;embora fundamental, não é o mais impor-tante do processo. Dois conjuntos de ope-rações devem ser considerados:1) Os tratamentos iniciais (�Upstream pro-cesses�)- antecedem a operação.2) Os tratamentos finais (�downstream pro-cesses�)- englobam a separação e a purifi-cação dos produtos e tratamentos dos resi-duos (Borzani et al,2001)O sucesso de um dado processo fermenta-tivo depende muito de uma correta defini-ção de 4 pontos básicos: microrganismo,meio de cultura, a forma de condução doprocesso fermentativo e as etapas de recu-peração do produto (Schmidell et al., 2001).Os três primeiros itens fazem parte dos �ups-tream processes� enquanto o último do �do-wnstream processes�.

Na verdade, esses quatro pilares de umprocesso fermentativo interagem enorme-mente, sendo necessário buscar definí-losde forma conjunta, levando em considera-ção aspectos biológicos e econômicos. Odesempenho de um dado microrganismodepende muito da composição do meio decultura em que este é colocado. A seguir,serão abordados cada um destes pilares.

1- TIPOS DE MICRORGANISMOS

São divididos em vírus, procariontes (bac-térias e cianofíceas) e eucariontes (fungos,protozoários, algas, cultura de tecidos ani-mais e vegetais). Os vírus patogênicos apre-sentam interesse para vacinas, enquanto quevírus bacteriófagos são importantes paraestudos genéticos ( para mapeamento daposição dos genes e para construção de

novas cepas por transdução ou recombina-ção. Na recombinação, fagos são usadoscomo vetores para introduzir DNA estra-nho na célula (Moo-Young).Bactérias e fungos são os microrganismosresponsáveis pela maioria dos processosbiotecnológicos farmacêuticos. As catego-rias de produtos da fermentação bacterianasão:

- �single cell protein� ou biomassa- produtos finais (ex: solventes e ácidos)- metabólitos primários (ex: aa., enzimas enucleótideos)- metabolitos secundários (ex: anticorpos,pigmentos e polisacarídeos)A composição do meio pode influenciar ometabolismo das células diretamente atra-vés da nutrição ou indiretamente e pelaalteração da forma do crescimento como aeficiência da aeração- particular e impor-tante quando há crescimento de organis-mos filamentosos (Moo-Young).A cultura de tecidos de células animais (rép-teis, peixes, aves, anfíbios, insetos) e ve-getais � cultivadas em larga escala para pro-dução de vacinas, para acúmulo de meta-bólitos celulares e para bioconversão desubstratos como esteróides e alcalóides. Acultura de tecidos de células vegetais paraprodução de agentes farmacologicamenteativos é uma área promissora.A obtenção desses microrganismos pode serfeita de várias maneiras: isolamento a partirde recursos naturais; compra em coleçõesde culturas; obtenção de mutantes naturais;obtenção de mutantes induzidos por méto-dos convencionais; obtenção de microrga-nismos recombinantes por técnicas de en-genharia genética.Para uma aplicação industrial, espera-se queos microrganismos apresentem as seguin-tes características gerais:- apresentar elevada eficiência na conver-são do substrato em produto;- permitir o acúmulo do produto no meio,de forma a se ter elevada concentração doproduto no caldo fermentado;- não produzir substâncias incompatíveis como produto;- apresentar constância quanto ao compor-tamento fisiológico;- não ser patogênico;- não exigir condições de processo muitocomplexas;- não exigir meios de cultura dispendiosos;

Pesquisa

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- permitir a rápida liberação do produtopara o meio.

2. MEIOS DE CULTURA

A formulação de um meio de cultivo develevar em conta as características nutricio-nais do microrganismo a ser cultivado, deforma que não existe uma formulação úni-ca para o desenvolvimento de microrga-nismos em condições artificiais. No caso decultivo de células vegetais e animais in vi-tro, monocamadas de culturas celulares ani-mais são indispensáveis para o cultivo decélulas o isolamento e identificação de vi-roses. A produção de vacinas virais e deinterferon são os principais processos co-merciais usando células animais (MOO-YONG).As linhagens celulares são extremamenteúteis na pesquisa celular, como fonte degrandes quantidades de células de um tipouniforme, especialmente por poderem serestocadas em nitrogênio líquido a �196º C,por um período de tempo indefinido (AL-BERT, 1997). Essas linhagens celulares imor-talizadas podem se desenvolver ancoradasem uma superfície plástica como monoca-madas, ou prescindir da necessidade decontato e crescer em suspensão dentro defrascos nos quais o meio de cultivo é leve-mente agitado (MOO-YOUNG).Os meios de cultivo para células animaissão complexos, contendo soluções tampo-nantes de sais minerais, glucose, vitaminas,aminoácidos, fatores de crescimento, ex-tratos fetais e soro. Antibióticos são usual-mente incorporados nesses meios para evi-tar contaminação bacteriana., embora mui-tas vezes interfiram no isolamento e purifi-cação do produto metabólico. Independentedo fato das linhagens celulares serem deri-vadas de diferentes mamíferos ou de dife-rentes órgãos ou do mesmo hospedeiro,elas se desenvolveram todas no mesmo tipobásico de meio de cultivo.O cultivo celular de células vegetais podeser feito em meios sólidos ou em suspen-são. As técnicas e o meio usado para cres-cimento de plantas são similares aquelespara células animais, exceto que a luz éessencial e extratos fetais e soro devem serde origem vegetal. Carboidratos devem seradicionados ao meio desde que o processode fotossíntese realizado por células emcultura é pouco eficiente. Os reatores paracrescimento de plantas não requerem altastaxas de oxigenação, embora a agitação sejaimportante para prevenir sedimentação ce-lular (MOO-YOUNG).Os fatores que influem nesses cultivos sãoa temperatura, o pH, teor de oxigênio, agi-tação, teor de umidade

3. BIORREATORES

A engenharia da fermentação é um ramoda tecnologia que estuda o desenho, de-senvolvimento, construção e operação daplanta e equipamentos utilizados nos pro-

cessos biológicos em escala industrial.Nos processo de fermentação, o biorreatorfornece o ambiente para o crescimento epara a atividade microbiana. Durante o pe-ríodo, previne a liberação da biomassa in-terna para o ambiente, assim como, impe-de a entrada de substâncias estranhas paradentro do meio de reações.O meio ambiente do biorreator leva emconsideração os aspectos biológicos, quí-micos e físicos (WINKLER, 1986).a) meio biológico: é favorável quando so-mente o organismo que contribui ao pro-cesso está presente, sendo denominado umsistema �asséptico�. Isto se consegue pelaesterilização do ambiente e posterior intro-dução do microrganismo desejado (inocu-lação);b) meio químico: está relacionado com omeio de crescimento microbiano, com asconcentrações adequadas de substratos ounutrientes microbiológicos, assim como pre-cursores sintéticos, livres de substâncias ini-bidoras e mantidas ao pH adequado. En-quanto os nutrientes solúveis são adiciona-dos ao meio, a manutenção da oxigenaçãoé feita continuamente. Nos processos anae-róbicos, deve-se em alguns casos, disporde dispositivos para eliminar o oxigêniocontinuamente. Outros parâmetros devemser observados, e dizem respeito à baixaatividade do meio aquoso (baixa concen-tração do soluto) assim como à força iônica(substâncias iônicas em solução precedentede sais);c) meio físico: se refere principalmente àtemperatura do sistema, que para seu con-trole leva em conta o desenho do fermen-tador. Este controle, bem como a necessi-dade em manter-se a uniformidade das con-dições durante o processo, está relaciona-do com uma boa agitação, o que por suavez, provoca a ruptura de estruturas doorganismo (cisalhamento).3.1 Tipos de biorreatoresVários tipos de biorreatores podem ser uti-lizados e o grau de sofisticação (desenho,construção e funcionamento) dependem dasensibilidade do processo ao ambiente man-tido no recipiente (WINKLER, 1986). Omaterial utilizado na construção dos bior-reatores deve ser atóxico, resistente à pres-são e à corrosão química.Os biorreatores em processos farmacêuti-cos podem ser Químicos ou Biológicos:-Biorreatores Químicos nos quais as rea-ções ocorrem na ausência de células vivas,ou seja, são tipicamente os �reatores enzi-máticos�.-Biorreatores Biológicos nos quais as rea-ções se processam na presença de células.Os biorreatores biológicos são amplamenteconhecidos e mais utilizados, sendo em-pregados desde a década de 40 paraprodução industrial. Possuem uma grandediversidade de aplicação, como produçãode enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidosorgânicos, solventes, bebidas e tratamentode resíduos orgânicos industriais ou domés-ticos.

Na classificação dos biorreatores, ainda sãolevados em consideração:� tipo de biocatalisador: células ouenzimas;� a configuração do biocatalisador:células ou enzimas livres ou imobili-zadas;� forma de se agitar o líquido no rea-tor.Assim sendo, os biorreatores classificam-seem dois grupos: sistema de cultivo disper-so e sistema de cultivo imobilizado.

3.2. Modo de operação

A classificação Mista de Kleinstreuer é amais utilizada:1. Reatores em fase aquosa (fermentaçãosubmersa)a. Células e enzimas livres:a.1) Reatores agitados mecanicamente (STR- stirred tank reactor)a.2) Reatores agitados pneumaticamente- Coluna de bolhas (�bubble column�)- Reatores �air-lift�a.3) Reatores de fluxo pistonado (�plug-flow�)

2. Reatores em fase não-aquosa (fermenta-ção semi-sólida)b) Células/enzimas imobilizadas em supor-tes:b.1) Reatores em leito fixob.2) Reatores com leito fluidizadoc) Células/enzimas confinadas entre mem-branas:c.1) Reatores com membranas planasc.2) Reatores de fibra oca (hollow-fiber)

3. Reatores estáticos (reatores com bande-jas)

4. Reatores com agitação (tambor rotativo)

5. Reatores com leito fixo

6. Reatores com leito fluidizado gás-sólido

Os biorreatores mais amplamente empre-gados são os Reatores Agitados Mecanica-mente (STR), constituindo cerca de 90% dototal de reatores utilizados industrialmente.

3.3 Tamanho da unidadede produção

A capacidade total da planta de fermenta-ção será obtida utilizando-se pequenas uni-dades ou um número pequeno de unida-des maiores. O tamanho da unidade podeser influenciado por:- facilidade para transporte;- espaço disponível;- custo de produção: unidade grandes acar-retam menores custos que as pequenas,principalmente se forem com instrumenta-ção sofisticada;- recipientes pequenos são adequados quan-do se necessita uma variedade de produtose quando existe perigo de rompimentos.

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- diminuir a extensão limitante da películade líquido na interfase gás/líquido;- retardar a perda de gás durante o cultivo,fazendo com que as bolhas demorem maispara chegar à superfície.Alguns aspectos são extremamente impor-tantes, uma vez que afetam o fornecimentode oxigênio para o cultivo, como a geo-metria do sistema, sua velocidade, a alturatotal do líquido no fermentador, tipo de di-fusor e vazão de ar.Em fermentação, necessita-se das duasações, o bombeamento e o cisalhamento.Estes efeitos são conseguidos utilizando-seturbinas e hélices. Existem modelos comoa turbina com pás inclinadas, que proporci-onam as duas ações ao mesmo tempo.O cisalhamento está diretamente relacio-nado à velocidade do agitador. Assim, de-terminados organismos são sensíveis a esteefeito, e se adaptam melhor a reatores queutilizam sistema sem agitador. Durante oprocesso fermentativo é possível ocorre-rem alterações significativas no caldo, quepode passar à condição de líquido não-newtoniano, como no caso de processosenvolvendo o cultivo de fungos filamento-sos.A tensão de cisalhamento varia em funçãodo gradiente de velocidade (dv/dr). A cons-tante de proporcionalidade entre a tensãode cisalhamento e o gradiente de veloci-dade é definida como a viscosidade do lí-quido. Assim sendo, esta viscosidade influ-encia o processo, e pode mudar durante afermentação.3.4.2 Aeração dos biorreatores parafermentação no estado sólidoQuando se trabalha com fermentação emestado sólido, a agitação é comanda pelotipo de processo, tipo de reator e o produ-to desejado. Existe a fermentação com agi-tação ocasional ou com agitação contínua.Alguns produtos, como aflatoxina e ocrato-xinas, são produzidos em sistemas agitados,e a esporulação pode ser reprimida com aagitação. Também a agitação pode ter efei-tos adversos sobre a porosidade do substra-to, provocando a compactação das partícu-las, impedindo a fixação do microrganismoao sólido e ocasionando o rompimento domicélio, por exemplo.A aeração do substrato é facilitada em fun-ção dos espaços vazios existentes entre aspartículas sólidas.

3.5 INSTRUMENTAÇÃO ECONTROLE EM BIOPROCESSSOS

O sucesso de um processo fermentativodepende da existência de condições ade-quadas para a produção de biomassa e for-mação da produto. A temperatura, pH, graude agitação, concentração de oxigênio nomeio de cultivo e outros fatores devem sermantidos constante durante todo o proces-so. A manutenção dessas condições neces-sita um monitoramento cuidadoso da fer-mentação através de um sistema de contro-le pelo qual as condições ótimas podem

ser mantidas.O monitoramento do processo fornece impor-tantes informações quanto ao progresso dafermentação, essas indicam casos de contami-nação, morte celular ou fermentações queocorrem de maneira fora do esperado.O avan-ço dos processos fermentativos totalmenteautomatizados depende da existência de sen-sores que produzam sinais significativos decontrole.3.5.1 CONTROLE DE PROCESSOExistem três possíveis objetivos para o con-trole do processo:1) Manter uma variável constante ao longo detempo2) Forçar uma variável a seguir o caminhopré-determinado ao longo do tempo3) Otimizar algumas funções das variáveis dosistemaO primeiro se consegue pela regulação, osegundo por mecanismos auxiliares, o tercei-ro por controladores ótimos.Todos os aparelhos de instrumentação sãogeralmente conhecidos como controladoresautomáticos. Em um sistema de controle setem quatro classes de variáveis:1) Variáveis controladas: é a variável de saídaque desejamos controlar.2) Variável manipulada: é a variável de entra-da com a que se controla .3) Variável de distúrbio: variável de entradaque afeta a variável controlada.4) Variáveis de referência: é o valor desejadoda variável controlada.Os parâmetros que podem ser medidos emprocessos fermentativos:

1) PARÂMETROS FÍSICOS:- Temperatura- Pressão- Consumo de potência- Viscosidade- Fluxo de aeração e de meio- Turbidez- Peso do fermentador

2) PARÂMETROS QUÍMICOS:- pH- Oxigênio dissolvido- Oxigênio e gás carbônico nos gases de saída- Potencial de redox- Concentração de substrato- Concentração de produto- Força iônica

3) PARÂMETROS BIOLÓGICOS:- Produtos biologicamente ativos- Atividade enzimática- Conteúdo de DNA e RNA- Conteúdo de NADH

2 e ATP

- Conteúdo em proteína

1) Parâmetros Físicos:

A � TEMPERATURAA taxa do crescimento microbiano , como to-das as outras reações químicas, é uma funçãoda temperatura. Normalmente, os microrga-nismos crescem em temperaturas que variamde 25 a 30ºC. Existem, quanto à temperatura

A capacidade dos biorreatores em fase aquo-sa varia conforme a necessidade. Assim, emescala de produção industrial:- Até 1-2 m3: cultivo de microrganismospatogênicos, células animais ou vegetais, emgeral produtos ligados à saúde;- Intermediária � até 100-200 m3 : paraprodução de enzimas, antibióticos e vitami-nas;- Milhares de m3 : fermentação alcoólica outratamento biológico de resíduos, sem as-sepsia.

3.4 Fornecimento de oxigênionos biorreatores

O suprimento adequado de oxigênio é in-dispensável para microrganismos aeróbios,e o efeito levará a um maior ou menorrendimento da cultura. Para alguns micror-ganismos facultativos, que podem desen-volver-se sem oxigênio, o aporte deficien-te, além de influenciar no rendimento, pro-voca diferenças na velocidade do cresci-mento e nos produtos sintetizados a partirda atividade do microrganismo (STURZA,1995).O principal problema no fornecimento deoxigênio diz respeito ao fato de ser ligeira-mente solúvel, o que faz com que deva serfornecido de forma contínua, inclusive emfermentações do tipo interrompido ou embatelada (por cargas, batch). Assim, deve-se colocar o gás em contato com o líquido,dissolve-lo no meio, e transferir o gás dis-solvido na fase gás-líquido aos organismos.A administração rápida de oxigênio neces-sita, portanto, de grandes superfícies de con-tacto entre o gás e o líquido, para facilitar adissolução. Isto faz com que a administra-ção de oxigênio e a agitação sejam práticasinseparáveis em um sistema aerado (WINK-LER, 1986).3.4.1. Aeração e agitação dos biorrea-tores para fermentação líquidaAlém de proporcionar oxigênio, a aeraçãotambém é importante para limpar o cultivode produtos metabólicos voláteis e indese-jáveis. A agitação, direta ou como efeitosecundário da aeração, é necessária pelasseguintes razões:- aumentar a velocidade de transferênciade oxigênio das borbulhas de ar ao meiolíquido, uma vez que os microrganismosnecessitam de oxigênio dissolvido;- aumentar a velocidade de transferênciade oxigênio e nutrientes do meio para ascélulas, evitando-se que surjam áreas combaixo nível de oxigênio e nutrientes;- impedir a formação de grupos de célulasou agregados de micélio;- aumentar a velocidade de transferênciade produtos metabólicos de células ao meio;- aumentar a taxa ou eficiência de transfe-rência de calor entre o meio e as superfíci-es de refrigeração do fermentador.Por outro lado, a turbulência da agitaçãopromove:- dispersão de ar em pequenas bolhas;- impedir a coalescência das bolhas;

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de crescimento, quatro grupos de microrga-nismos:· Psicrófilos: 14-20º C· Mesófilos: 30-36º C· Termófilos: 50-60º C· Extremo termófilos: 60-80º CA temperatura também afeta a eficiência daconversão do substrato (fonte de carbono �energia) em massa celular. O rendimentomáximo de conversão ocorre a temperaturamenor que a temperatura ótima de crescimen-to. Este ponto é particularmente importantena otimização do processo quando se esperaum máximo rendimento, mas não taxa de cres-cimento.As reações simultâneas que ocorrem no inte-rior das células, influenciam no crescimento eformação de proteínas enzimáticas, que apre-sentam rápidas variações de acordo com a fai-xa de temperatura.Para cada microrganismo, existe um tempera-tura ótima de crescimento e de formação deproduto, em um substrato adequado; para umaotimização eficiente é necessário um controlede temperatura de 0,5º C.Os sensores de temperatura mais utilizadossão:- Termômetro: Utilizado somente em peque-nos fermentadores devido a sua fragilidade.Em fermentadores maiores há a necessidadede inserir o termômetro dentro de um localpróprio dentro de fermentador; é apenas in-dicativo e não automatizado.- Termístor: São semicondutores feitos demisturas de óxidos de ferro, níquel e outrosmetais; a principal característica é a grandevariação da resistência em função de umapequena variação de temperatura.- Termômetro bimetálico: Consiste de umabobina bimetálica helicoidal protegida por umtubo, pode ser colocado na extremidade umacaneta para o registro de variações de tempe-ratura. São menos suscetíveis a quebras po-rém custam mais caro.- Termômetro de bulbo de pressão: É ummedidor de pressão conectado a um pequenotubo, preenchido com gás ou líquido apropri-ado sob pressão. Uma caneta é conectada naextremidade livre para o registro de sinaiselétricos ou pneumáticos.- Termopares: São dois filamentos de doismetais diferentes que são mantidos em dife-rentes temperaturas, ligados em um circuitoelétrico. A corrente produzida pode ser me-dida no ponto comum da temperatura dos doismetais.- Termômetros de resistência elétrica: Ba-seia-se nas diferenças de resistência elétricados metais com a variação de temperatura.

B � PressãoO monitoramento da pressão é importantedurante a esterilização e a manutenção de umapressão positiva no reator (aproximadamente1,2 absoluto) pode auxiliar a manutenção daassepsia; mas a razão mais importante é a se-gurança. Equipamentos industriais e de labo-ratório são projetados para suportar uma pres-são específica para a fermentação e mais umfator de segurança.

Em fermentadores, medidores de diafrag-ma são utilizados para o monitoramento dapressão. Esses medidores produzem um si-nal pneumático que pode ser transforma-do, se necessário, em um sinal elétrico. Éimportante que o sensor indique, registree controle a pressão.Para minimizar o risco de contaminaçãoutiliza-se uma sobre pressão de 0,2-0,5 bar.A pressão hidrostática também deve serconsiderada nos grandes fermentadores umavez que influencia na solubilidade do oxi-gênio e gás carbônico no meio de cultura.

C � PotênciaDiferentes tipos de medições podem serfeitas para monitorar a potência necessáriapara fermentadores com agitação mecâni-ca, normalmente mede-se a energia totalconsumida pelo agitador. A desvantagemdeste método porém, é que ele consideratambém as perdas observadas quando seaumenta a velocidade de agitação (ocorreaproximadamente 30% de perda de ener-gia, utilizada pelo motor).Medidas diretas da energia dentro do meiode cultivo podem ser conseguidas utilizan-do medidores dentro do reator.

D � ViscosidadeA viscosidade e outras propriedades reoló-gicas do meio de cultivo podem ser medi-das, através da energia consumida em dife-rentes velocidades de agitação. Outro mé-todo utilizado, é o monitoramento da po-tência durante e após um rápido desliga-mento da agitação (menos de 30 segun-dos). Fluídos Newtonianos e não Newtoni-anos também respondem diferentemente aagitação.

E � Velocidade de fluxo (Ar/Líquido)A aeração também pode ser controlada dediferentes maneiras, tanto o ar de entradacomo o ar de saída. O aparelho mais sim-ples, rotâmetro, fornece leitura visual oupulsos elétricos. O monitoramento da taxade aeração é muito importante para os cál-culos de balanço de material nos processosfermentativos.Para o controle da velocidade de fluxo delíquido, em escala laboratorial, são utiliza-das bombas de fluxo bem calibradas, queabastecem o fermentador com quantidadesconhecidas do líquido. Controles de pro-cessos mais longos, podem ser feitos porpesagens contínuas. Um sensor de nível demeio pode ser utilizado já que detecta tam-bém o nível de espuma.

2) Parâmetros Químicos:A � Sondas de pHO pH externo apresenta pouca influênciasobre o pH interno das células microbia-nas, mas o rompimento dos substratos , seutransporte pela parede celular e a secreçãodos produtos celulares, são todos afetadospelo valor do pH do ambiente. O pH domeio tem um efeito sobre a estrutura epermeabilidade da membrana externa.

O pH é uma medida da atividade dos íons hi-drogênio e sua determinação se da dependendoda temperatura. Porém, o sinal da sonda mudarácom a temperatura; é importante compensar oefeito da temperatura no circuito . Com a exi-gência de esterilidade , as sondas esterilizáveisestão ganhando aceitação.

B � O2 e CO

2:

Um procedimento normal é determinar no arque entra e sai o O

2 e o CO

2 separadamente

pelas propriedades paramagnéticas do O2 e o

espectro de absorção de infravermelho do CO2.

Os sensores para medir esses gases estão bemdesenvolvidos e funcionam com poucas inter-rupções .O N

2, NH

3, metanol e etanol, podem ser medi-

dos pelo espectrômetro de massas e também podemedir informação qualitativa e quantitativa so-bre o intercâmbio de O

2 e CO

2. Mediante o uso

de membranas permeáveis aos gases, é possívelmedir os gases dissolvidos no meio nutritivo.Existem instrumentos que podem analisar até 8gases simultaneamente na fermentação.

C � Oxigênio dissolvido (OD):O papel crítico que joga o oxigênio dissolvido(OD) num processo de fermentação é muitoimportante; as sondas de OD consistem em umacamisa de aço inox ou cristal que contém ele-trodos e um eletrólito adequado.Existem interessantes novidades no campo deeletrodos enzimáticos, denominados biosensores.

4. Recuperação do Produto Final

É a etapa mais difícil, e um processo difícil ecaro, chegando a representar de 80% - 90% docusto total do processo.Os procedimentos utilizados podem ser : físicos/químicos e biológicos (graus de variação).. Filtração , centrifugação e flotação ( separaçãode células do líquido). Rompimento de células (caso produto seja in-tracelular).. Extração com solvente específico. Cromatografia. Filtração por membranas. Adsorção.Cristalização.Secagem

Os autores dedicam este artigo à memória do Pro-fessor Walter Borzani

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BORZANI,et al,2001.Biotecnologia Industrial-fun-damentos v.1, 1º Ed. Edgard Blucher ltda-SP.

SCHMIDELL,et al.2001. Biotecnologia Industri-al-Engenharia Bioquímica v.2, 1º Ed. Edgard Blu-cher ltda-SP

REHM,et al,.Biotechnology � Biological Funda-mentals, v.1, 2º Ed. VCH � Weinheim

MOO-YOUNG,M.Comprehensive Biotechnology.The Principles of Biotechnology: ScientificFundamentals.V.1, Ed. Pergamon Press-Oxford.