miniaturadaimagem|direita|300px|Células da levedura Saccharomyces cerevisiae observadas por microscopia de contraste de fase. Em muitas das aplicações clássicas da engenharia de bioprocessos, leveduras, bactérias e fungos filamentosos constituem o principal sistema biológico de interesse.
A engenharia de bioprocessos é o ramo da engenharia que estuda, projeta, opera, modela e amplia em escala processos baseados em células vivas, microrganismos ou componentes biológicos, como enzimas, para a produção de bens e serviços. É um campo interdisciplinar situado na interface entre engenharia química, microbiologia, bioquímica, biotecnologia e controle de processos.
Embora a engenharia de bioprocessos também envolva células animais e vegetais, biomoléculas e sistemas enzimáticos, suas aplicações industriais clássicas têm forte concentração em microrganismos, especialmente em processos de fermentação. Por essa razão, o campo costuma ser distinguido da engenharia biológica em sentido amplo e da engenharia química generalista: em muitas de suas aplicações, o foco não está apenas na transformação físico-química do processo, mas na engenharia do próprio sistema microbiano e de seu ambiente de cultivo.
O campo abrange a seleção e o melhoramento de linhagens, a formulação de meios de cultura, o projeto e a operação de biorreatores, o controle de pH, temperatura, mistura e aeração, o aumento de escala, bem como a recuperação e a purificação do produto. Entre suas aplicações mais importantes estão a indústria de alimentos e bebidas, a produção de biocombustíveis, a indústria farmacêutica, a fabricação de enzimas, a biorremediação e o aproveitamento biotecnológico de resíduos.
História
Fermentação antes da microbiologia
miniaturadaimagem|esquerda|280px|Colheita e prensagem de uvas em iluminura medieval. A vinificação é um dos mais antigos exemplos de uso humano de processos que hoje seriam descritos como bioprocessos.
Muito antes do surgimento da microbiologia como ciência, sociedades humanas já empregavam processos fermentativos na produção de vinho, cerveja, pão, queijo, iogurte, vinagre e diversos outros alimentos. Nessas práticas tradicionais, populações microbianas eram utilizadas empiricamente, ainda que sua existência não fosse conhecida.
Evidências arqueológicas indicam que a produção de vinho já ocorria no sul do Cáucaso no período neolítico, e a fermentação de alimentos foi uma das primeiras formas de biotecnologia utilizadas pela humanidade. Em termos modernos, esses processos já continham elementos que se tornariam centrais para a engenharia de bioprocessos, como escolha do inóculo, controle do substrato, tempo de fermentação e conservação do produto.
Pasteur e a microbiologia da fermentação
No século XIX, os trabalhos de Louis Pasteur demonstraram que a fermentação estava ligada à atividade de organismos vivos e não apenas a reações químicas espontâneas. Essa mudança conceitual teve enorme impacto sobre a produção de alimentos e bebidas, pois possibilitou o isolamento, a seleção e a manutenção de culturas microbianas mais estáveis e previsíveis.
A partir de então, a fermentação deixou de ser apenas uma prática artesanal e passou a ser progressivamente tratada como um processo passível de controle, padronização e posterior industrialização.
miniaturadaimagem|direita|240px|Louis Pasteur, cuja investigação sobre fermentação ajudou a estabelecer a relação entre microrganismos e transformações químicas específicas.
Outra figura historicamente importante na transição da microbiologia de laboratório para a fermentação industrial foi Chaim Weizmann, cujo trabalho com a fermentação acetona–butanol ajudou a estabelecer um dos primeiros processos de fabricação microbiana de importância mundial no século XX. O processo acetona–butanol ilustrou um tema recorrente na engenharia de bioprocessos: a industrialização bem-sucedida depende não apenas do metabolismo do microrganismo, mas também do manejo da matéria-prima, do controle de contaminações, da operação do reator e da recuperação do produto.
Da fermentação industrial à engenharia de bioprocessos
Ao longo do século XX, a fermentação microbiana passou a ser utilizada não apenas para alimentos, mas também para solventes, ácidos orgânicos, vitaminas, aminoácidos, antibióticos, enzimas e combustíveis. O crescimento de escala tornou evidente que o simples conhecimento do microrganismo não bastava: uma cultura bem-sucedida em laboratório podia fracassar em tanques industriais devido a problemas de transferência de oxigênio, mistura, remoção de calor, contaminação ou formação de espuma.
Desse contexto emergiu a engenharia de bioprocessos como área própria, voltada a transformar uma capacidade biológica em um processo industrial controlável, reprodutível e economicamente viável.
Definição e escopo
A engenharia de bioprocessos pode ser definida como a aplicação de princípios de engenharia a processos que usam sistemas biológicos para transformar matérias-primas em produtos de interesse. Seu objeto não é apenas o equipamento nem apenas o organismo, mas o sistema organismo–processo–equipamento.
Em uma formulação industrial, isso inclui:
seleção, adaptação e conservação de linhagens; engenharia genética e engenharia metabólica, quando aplicáveis; composição do meio de cultura; esterilização e preparo do inóculo; projeto e operação do biorreator; aeração, agitação e transferência de massa; controle de pH, temperatura e alimentação; monitoramento e automação; aumento de escala; processamento upstream; recuperação e purificação do produto (downstream).
Nas aplicações mais clássicas do campo, especialmente em fermentação industrial, a engenharia de bioprocessos pode ser descrita como a engenharia que busca otimizar o desempenho do microrganismo industrial, tornando sua atividade mais previsível, robusta e escalável.
Relação com outras áreas
Área Ênfase típica Diferença em relação à engenharia de bioprocessos Engenharia química Reatores, operações unitárias, fenômenos de transporte, termodinâmica e processos industriais em geral A engenharia de bioprocessos herda muitas dessas ferramentas, mas lida com sistemas biológicos vivos, variáveis e adaptativos. Engenharia biológica Aplicação ampla da engenharia a sistemas biológicos, agrícolas, ambientais e biomédicos É mais abrangente; a engenharia de bioprocessos constitui uma especialização com forte foco em produção e transformação industrial. Engenharia bioquímica Aplicação da engenharia a transformações bioquímicas Em muitos contextos há sobreposição considerável; os termos podem ser usados de forma próxima. Engenharia biomédica Equipamentos, materiais e sistemas para saúde Seu foco principal não é a fermentação industrial nem a produção em biorreatores.
Uma das principais diferenças em relação à engenharia química convencional é a presença de um catalisador vivo. A célula cresce, adapta-se, muta, responde a estresses e modifica o próprio meio em que se encontra. Por isso, o comportamento biológico precisa ser incorporado às decisões de projeto e operação.
O microrganismo como foco central
miniaturadaimagem|direita|260px|Resposta morfológica de Saccharomyces cerevisiae observada por microscopia. O comportamento celular é parte central do objeto de estudo da engenharia de bioprocessos.
Leveduras, bactérias e fungos filamentosos apresentam características que favorecem seu uso industrial: rápido crescimento, diversidade metabólica, adaptação a diferentes substratos e possibilidade de cultivo em sistemas fechados. Em muitos processos, o microrganismo funciona como uma fábrica celular, convertendo açúcares, amidos, resíduos orgânicos ou outros substratos em biomassa, etanol, ácidos, enzimas, vitaminas, aromas, polímeros ou outros produtos.
Por isso, uma parte substancial da engenharia de bioprocessos dedica-se à escolha e ao melhoramento do microrganismo industrial. Os critérios de seleção costumam incluir:
produtividade; rendimento; estabilidade genética; tolerância a temperatura e pH; tolerância ao produto formado; tolerância a contaminantes e inibidores; facilidade de separação ou recuperação; comportamento em larga escala.
Em processos industriais, o ambiente de cultivo é tão importante quanto o organismo. Uma linhagem excelente pode perder desempenho se submetida a más condições de mistura, limitação de oxigênio, gradientes de substrato ou excesso de cisalhamento.
Operações fundamentais
Processamento upstream
O processamento upstream inclui as etapas anteriores à recuperação do produto. Entre elas estão:
desenvolvimento e manutenção da linhagem; preparação do inóculo; formulação do meio de cultura; esterilização; operação do biorreator; alimentação de nutrientes; controle de processo e monitoramento.
Biorreatores
miniaturadaimagem|direita|280px|Esquema de um biorreator de tanque agitado, mostrando agitação, aeração, controle de temperatura, ajuste de pH, sensores e conexões de utilidades.
O biorreator é o equipamento em que a atividade biológica é mantida sob condições controladas. Entre os tipos mais utilizados estão:
reatores de batelada; reatores de batelada alimentada; reatores contínuos; colunas de bolhas; reatores airlift; reatores de leito fixo; reatores com células imobilizadas; fotobiorreatores.
Variáveis tipicamente controladas incluem temperatura, pH, oxigênio dissolvido, vazão de gases, velocidade de agitação, pressão e formação de espuma.
Processamento downstream
O processamento downstream corresponde às operações posteriores à etapa biológica, voltadas à separação, purificação e formulação do produto. Dependendo do sistema, podem incluir:
centrifugação; filtração; ruptura celular; extração; precipitação; adsorção; cromatografia; evaporação; secagem; formulação e embalagem.
Cinética microbiana, fases de crescimento e equações usuais
A modelagem matemática é parte importante da engenharia de bioprocessos, especialmente em fermentação industrial e projeto de biorreatores.
Fases do crescimento microbiano
Em cultura descontínua, uma população microbiana normalmente apresenta:
Fase Característica Representação simplificada Fase lag Adaptação fisiológica ao novo meio; crescimento pouco expressivo durante um intervalo de adaptação Fase exponencial Crescimento acelerado e, se é constante, Fase estacionária Crescimento líquido próximo de zero Fase de declínio Morte celular ou perda de viabilidade
Em modelos empíricos, a duração da fase lag pode ser representada por um parâmetro , utilizado em equações de crescimento do tipo Gompertz ou Baranyi.
miniaturadaimagem|direita|300px|Curva idealizada de crescimento microbiano, mostrando as fases lag, exponencial, estacionária e de declínio em cultura descontínua.
Equações de crescimento e consumo de substrato
Uma das expressões mais utilizadas para descrever a velocidade específica de crescimento em função do substrato é a equação de Monod:
em que:
= velocidade específica de crescimento; = velocidade específica máxima; = concentração de substrato limitante; = constante de saturação.
O crescimento celular em batelada pode ser expresso por:
e o consumo de substrato, de modo simplificado, por:
em que é o rendimento de biomassa em relação ao substrato.
Formação de produto
A relação entre crescimento e formação de produto pode ser descrita pelo modelo de Luedeking–Piret:
em que:
= concentração do produto; = parcela associada ao crescimento; = parcela não associada ao crescimento.
Esse tipo de equação é útil em fermentações industriais para distinguir produtos primariamente associados à multiplicação celular daqueles produzidos também em fases posteriores.
Biorreatores contínuos
miniaturadaimagem|direita|280px|Esquema de um quimiostato, biorreator de cultura contínua no qual meio fresco é fornecido enquanto caldo de cultivo é removido à mesma vazão.