Rea, que largou da pole com seu companheiro de equipe na Kawasaki Alex Lowes, escorregou na curva 5 quando perdeu a frente de sua máquina após tentar ultrapassar Andrea Locatelli.
Lowes caiu na mesma curva em um incidente separado, proporcionando um início de domingo decepcionante na penúltima volta para a dupla da Kawasaki.
O incidente significa que Rea e Lowes se alinharão na quarta fila da segunda corrida (14h BST).
Bautista ganhou dois lugares com a desistência dos pilotos da Kawasaki e Toprak Razgatlioglu na liderança com a Pata Yamaha.
O campeão mundial Bautista ultrapassou Locatelli desde o segundo lugar na quinta volta e voltou-se para Razgatlioglu, acabando por alcançar o piloto turco e passando ao lado de Razgatlioglu na oitava volta.
No entanto, o campeão de 2021 manteve-se à frente graças às suas capacidades de travagem tardia, mas Bautista não se intimidou.
O piloto da Aruba.it Ducati tentou novamente no início da nona volta, mas Razgatlioglu manteve-se firme e garantiu um confronto de arquibancada entre os dois principais protagonistas do título na última volta.
Bautista aproximou-se cada vez mais da roda traseira do piloto da Yamaha e aproveitou a vantagem quando Razgatlioglu escorregou feio na Curva 13 e usou a velocidade superior da Ducati para ultrapassar a saída da curva da recta principal.
Bautista venceu por 0,142 segundos e garantiu uma dupla vitória em Portugal. Locatelli terminou em terceiro atrás do seu companheiro de equipa Yamaha, quatro segundos atrás.
Remy Gardner (GRT Yamaha), Iker Lecuona (Team HRC) e Michael Ruben Rinaldi (Aruba.it Ducati) foram os seis primeiros.
Bautista já venceu 55 corridas mundiais de Superbike com a Ducati, igualando a série de vitórias do tetracampeão Carl Fogarty com o fabricante italiano.
Foi também a 23ª vitória da temporada, um recorde, já que o piloto de 38 anos está agora 55 pontos à frente de Razgatlioglu a quatro corridas do fim.
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