O biorreator para produção de bactérias cria um ambiente controlado para o crescimento de culturas bacterianas e para a obtenção de biomassa, esporos, enzimas, metabólitos e outros produtos de interesse biotecnológico.
A produção bacteriana em biorreator ocorre pelo controle coordenado de temperatura, pH, oxigênio dissolvido, agitação, aeração, alimentação de nutrientes e formação de espuma. Esses parâmetros são definidos de acordo com a bactéria cultivada e com o objetivo do processo.
Como funciona a produção de bactérias em biorreator?
O processo começa com a seleção da bactéria e a definição do produto que se pretende obter. Dependendo da aplicação, o objetivo pode ser produzir células viáveis, esporos, proteínas, enzimas, ácidos orgânicos, antibióticos ou outros metabólitos formados durante o cultivo.
A bactéria é inicialmente multiplicada em pequena escala para formar o inóculo. Essa cultura é transferida para um meio nutritivo estéril dentro do biorreator, onde encontra fontes de carbono, nitrogênio, sais minerais e outros componentes necessários ao metabolismo.
Durante o cultivo, sensores acompanham as condições do meio. O sistema de controle executa correções para manter as variáveis dentro das faixas definidas no processo. Ácido ou base podem ser adicionados para corrigir o pH, a temperatura pode ser ajustada pelo sistema térmico e a disponibilidade de oxigênio pode ser controlada pela combinação de aeração, agitação e composição dos gases.
Em cultivos aeróbios, a capacidade de transferir oxigênio para o líquido costuma ser um dos pontos centrais do desenvolvimento do processo. Conforme a concentração celular aumenta, também cresce a demanda metabólica da cultura. Por isso, acompanhar somente a vazão de ar ou a rotação do agitador não é suficiente: é necessário observar a resposta do oxigênio dissolvido e o comportamento da bactéria.
Principais parâmetros do cultivo bacteriano
Cada espécie bacteriana possui exigências próprias. Não existe uma configuração única que funcione para todos os cultivos, mas alguns parâmetros estão presentes na maior parte dos processos.
Influencia a velocidade de crescimento, a atividade enzimática e a estabilidade das células. A faixa deve ser estabelecida para cada cepa e objetivo produtivo.
Pode variar durante o metabolismo bacteriano devido ao consumo de nutrientes e à formação de ácidos ou bases. O controle é normalmente realizado pela adição automática de soluções corretivas.
Indica a disponibilidade de oxigênio no meio. Em processos aeróbios, sua manutenção depende da relação entre consumo celular e capacidade de transferência do sistema.
Contribui para misturar o meio, dispersar os gases, reduzir gradientes e manter nutrientes e células distribuídos no volume de cultivo.
Fornecem oxigênio aos processos aeróbios e ajudam a remover gases gerados pelo metabolismo. Cultivos anaeróbios podem exigir condições específicas e uso de gases como nitrogênio.
Permite adicionar substratos durante o processo para evitar limitação nutricional, controlar a velocidade de crescimento ou reduzir efeitos de inibição.
Pode ser formada pela composição do meio, pela aeração e por compostos produzidos durante o cultivo. Seu controle pode envolver sensor, antiespumante e estratégias mecânicas.
Aumentar a agitação pode elevar a transferência de oxigênio, mas também altera o cisalhamento, o consumo energético e a formação de espuma. O desenvolvimento do processo deve considerar a interação entre as variáveis, e não ajustes isolados.
Etapas de um processo de produção bacteriana
- Seleção e conservação da cepa: definição do microrganismo, origem, pureza, estabilidade e características desejadas.
- Ativação da cultura: recuperação da bactéria em condições adequadas antes do preparo do inóculo.
- Preparo do inóculo: multiplicação gradual da cultura até atingir quantidade e condição fisiológica adequadas para inocular o biorreator.
- Preparo do meio: formulação das fontes de carbono, nitrogênio, minerais e demais nutrientes necessários.
- Esterilização: tratamento do vaso, do meio e das linhas envolvidas para reduzir o risco de contaminação.
- Inoculação e cultivo: transferência da cultura para o biorreator e execução da estratégia de controle definida.
- Monitoramento: acompanhamento dos parâmetros do equipamento e de análises como densidade óptica, contagem celular, consumo de substrato e formação do produto.
- Finalização e recuperação: encerramento do cultivo no momento adequado e encaminhamento para concentração, separação, formulação, secagem ou envase.
Batelada, batelada alimentada e processo contínuo
Batelada
Na batelada, o meio de cultivo é preparado e inoculado no início do processo. Durante a fermentação, podem ocorrer correções de pH, adição de antiespumante e pequenas reposições, mas não há uma alimentação contínua relevante de substrato.
É uma configuração amplamente utilizada por sua simplicidade operacional e pela facilidade de separar os lotes. O cultivo termina quando a cultura atinge a fase ou a concentração estabelecida.
Batelada alimentada
Na batelada alimentada, também conhecida como fed-batch, nutrientes são adicionados ao longo do cultivo. A estratégia permite controlar a disponibilidade de substrato, prolongar etapas produtivas e alcançar maiores densidades celulares em determinadas aplicações.
A alimentação pode seguir uma vazão constante, crescente, baseada em tempo ou vinculada à resposta de parâmetros do processo.
Processo contínuo
No processo contínuo, meio fresco entra no biorreator enquanto um volume equivalente de cultura é retirado. O objetivo é manter o sistema em uma condição relativamente estável durante um período prolongado.
Esse modo exige controle rigoroso da taxa de diluição, da estabilidade biológica e das condições de assepsia. Sua aplicação depende do produto, da cepa e da estratégia industrial adotada.
O que pode ser produzido com bactérias?
A produção bacteriana atende diferentes áreas da biotecnologia. Em alguns processos, a própria célula ou o esporo é o produto final. Em outros, o interesse está em uma substância produzida pela bactéria e liberada ou acumulada durante o cultivo.
Inoculantes, biofertilizantes, promotores de crescimento e agentes destinados ao controle biológico.
Amilases, proteases, lipases e outras enzimas aplicadas em alimentos, rações, limpeza e processos industriais.
Culturas bacterianas utilizadas em alimentos, suplementos, nutrição animal e diferentes formulações biológicas.
Moléculas produzidas por bactérias modificadas para aplicações em pesquisa, diagnóstico e indústria farmacêutica.
Compostos obtidos pelo metabolismo bacteriano e empregados nas indústrias alimentícia, química e farmacêutica.
Produção concentrada de células vegetativas ou estruturas resistentes, de acordo com a espécie e a aplicação.
Da bancada à produção industrial
Um processo bacteriano costuma começar em frascos agitados ou em um biorreator de bancada . Nessa fase são investigados o meio de cultivo, a cinética de crescimento, o comportamento do pH, a demanda de oxigênio, a alimentação e o momento adequado para encerrar a fermentação.
Depois da definição inicial, o processo pode avançar para a escala piloto. Essa etapa permite verificar como a cultura responde às mudanças de geometria, mistura, transferência de massa, remoção de calor e tempo de resposta dos controles.
O aumento de volume não deve ser tratado como uma simples multiplicação da receita. Parâmetros como velocidade de ponta, potência por volume, vazão de gás por volume, transferência de oxigênio e tempo de mistura podem mudar significativamente entre as escalas.
Os dados obtidos no piloto orientam o projeto e a operação do biorreator industrial, reduzindo incertezas antes da ampliação da capacidade produtiva.
Como escolher um biorreator para produção de bactérias?
A escolha começa pela aplicação e pelo estágio de desenvolvimento do processo. Um laboratório que precisa comparar meios e condições de cultivo possui necessidades diferentes de uma fábrica voltada à produção comercial.
Entre os principais critérios de seleção estão:
- volume total e volume útil de trabalho;
- tipo de bactéria e características do cultivo;
- necessidade de operação aeróbia ou anaeróbia;
- demanda estimada de transferência de oxigênio;
- faixas de agitação, aeração, temperatura e pressão;
- quantidade e tipo de sensores;
- estratégias de alimentação e controle em cascata;
- necessidade de esterilização em autoclave ou sistema SIP;
- limpeza manual ou automática por CIP;
- registro de dados, geração de relatórios e rastreabilidade;
- possibilidade de expansão e escalonamento do processo.
Também é importante avaliar os equipamentos auxiliares, as utilidades disponíveis, o preparo do inóculo, a recuperação do produto e a rotina de limpeza. O biorreator faz parte de um sistema produtivo e precisa estar integrado às demais etapas.
Perguntas frequentes
Qual bactéria pode ser cultivada em um biorreator?
Diferentes gêneros bacterianos podem ser cultivados, desde que o equipamento e o processo sejam compatíveis com suas exigências. Entre os exemplos industriais estão espécies de Bacillus, Azospirillum, Rhizobium, Bradyrhizobium, Pseudomonas, Escherichia e bactérias ácido-láticas.
Todo cultivo bacteriano precisa de oxigênio?
Não. Existem bactérias aeróbias, anaeróbias e facultativas. A estratégia de fornecimento ou exclusão de oxigênio deve ser estabelecida conforme o metabolismo da cepa e o produto pretendido.
Quanto tempo dura uma fermentação bacteriana?
A duração varia conforme a bactéria, o meio, a concentração desejada e o produto do processo. Alguns cultivos podem ser concluídos em horas, enquanto outros exigem vários dias.
É possível produzir esporos bacterianos em biorreator?
Sim. Algumas bactérias, como espécies do gênero Bacillus, podem formar esporos. Para favorecer a esporulação, é necessário desenvolver uma estratégia específica de meio, condições ambientais e tempo de processo.
Qual é a diferença entre produzir biomassa e produzir metabólitos?
Na produção de biomassa, o objetivo principal é aumentar a quantidade de células ou esporos. Na produção de metabólitos, o foco está na substância formada pela bactéria. Essa diferença interfere no meio, na alimentação e no momento de encerramento do cultivo.
Biorreatores para pesquisa, escalonamento e produção
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Conheça os biorreatores ENGCOFontes e referências
- GARCIA-OCHOA, F.; GOMEZ, E. Bioreactor scale-up and oxygen transfer rate in microbial processes: an overview . Biotechnology Advances, 2009.
- MITRA, S. et al. Bioreactor control systems in the biopharmaceutical industry: a critical perspective . 2021.
- EMBRAPA. Fermentação: princípios e escalas de produção .
- EMBRAPA. Manual de análises de bioinsumos para uso agrícola: inoculantes .