ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

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1 ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
EEL / USP TIPOS DE BIORREATORES Novembro de 2009

2 Definição Reatores químicos nos quais ocorrem reações catalisadas por “Biocatalisadores”. Enzimas Células vivas Microrganismos Animais Vegetais

3 Introdução Células vivas Microrganismo
São os biorreatores mais conhecidos e utilizados. São empregados desde a década de 40 para a produção industrial para uma grande diversidade de produtos, como: enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidos orgânicos, solventes e tratamento de resíduos. Microrganismo

4 Introdução Os biorreatores são concebidos em função do tipo de processo e dos agentes biológicos empregados. Podem possuir características bem distintas no que se refere a fenômenos de transporte (calor, massa e quantidade de movimento).

5 Elevada concentração celular
Introdução Exemplos: Tipo de microrganismos: Leveduras e bactérias X Fungos filamentosos Tipo de biocatalisador: Microrganismos X Células animais ou vegetais Tipo de processo: Elevada concentração celular

6 Introdução Cerca de 90 % dos reatores utilizados industrialmente são do tipo reator de mistura STR (agitados mecanicamente). Há um grande interesse por outros tipos de reatores, mas a maioria dos processos ainda se encontra em escala de bancada ou semi-piloto.

7 Introdução A capacidade de um biorreator é bastante variável, sendo dependente do processo em questão. » 1 a 2 m3 – cultivo de patogênico ou células animais ou vegetais. Normalmente para a produção de substâncias ligadas à saúde. » 100 a 200 m3 – enzimas, antibióticos e vitaminas. » Acima de 1000 m3 – processos que exigem pouca assepsia, como fermentação alcoólica e tratamento biológico de resíduos.

8 Classificação dos biorreatores
Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como: » O tipo de biocatalisador: Células ou Enzimas Levedura Bactéria Animal Vegetal

9 Classificação dos biorreatores
Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como: » A configuração do biocatalizador: Livres ou imobilizados.

10 Classificação dos biorreatores
Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como: » A forma de agitar o líquido no meio: Mecânica ou pneumática

11 Classificação dos biorreatores
Considerando as várias propostas usualmente encontradas, foi proposta uma classificação mais abrangente.

12 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

13 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

14 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente » Um biorreator do tipo STR consiste em um vaso cilíndrico sendo comuns relações entre a altura (H) e o diâmetro (D) de 1:1, 2:1 ou 3:1. » Normalmente é equipado com Chicanas (com largura 0,1D), utilizadas para evitar a formação de vórtice. Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca O agitador é montado no eixo central, podendo possuir ao longo de sua altura uma série de turbinas, as quais podem ser de diferentes tipos. Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

15 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Agitadores de fluxo Radial Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido) Turbina RUSHTON Turbina Paddle Agitador em âncora

16 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Agitadores de fluxo Axial Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Hélice com fluxo duplo Hélice com grandes pás Agitador com fita helicóide Leito Fluidizado (gás-sólido) Hélice marinha

17 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Funções da agitação: » Homogeneizar o Meio; » Dispersar os gases no Líquido (diminuir o tamanho das bolhas e melhorar a transferência de oxigênio). Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

18 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Os reatores agitados pneumaticamente se caracterizam basicamente pela ausência de agitador mecânico, sendo o líquido agitado pelo borbulhamento de gás (normalmente ar). Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Coluna de bolhas “Air-lift” Biorreatores Fibra oca Apresentam menor tensão de cisalhamento, o que torna atraente para o cultivo de células animais e vegetais. Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) A diferença básica entre o reator coluna de bolas e Air-Lift, é que este último tem movimentação cíclica do líquido (bem ordenado) e o primeiro apresenta movimentação aleatória. Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

19 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Nos reatores de fluxo pistonado “plug-flow” o inóculo e o meio são misturados na entrada do sistema, sendo que a cultura flui com uma velocidade constante e em regime laminar (sem ocorrer mistura longitudinal, “backmix”). Há portanto uma variação da concentração de nutrientes, células e produto ao longo do comprimento do reator. Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

20 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Caracterizam-se pela ausência de agitação. Os “reatores de bandejas”, são bastante limitados no que se refere a condições de transferência de oxigênio e controle das condições ambientais do processo. Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

21 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Reatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado em suporte inerte como por exemplo: Pectina, materiais cerâmicos, vidro, sílica, etc., Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Tem o objetivo de manter elevadas concentrações celulares, consequentemente elevadas produtividades. Leito Fluidizado (gás-sólido)

22 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Nos reatores de leito fixo não há movimentação da partícula (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado. Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

23 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Nos reatores de leito fluidizado as partículas (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado se movimentam intensamente. Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca A fluidização do leito pode ser realizada por: » Injeção de ar; » Gás inerte; » Corrente de recirculação do líquido no reator. Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

24 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

25 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres » Os reatores de células confinadas caracterizam-se por manterem as células entre membranas semipermeáveis. » Permitem o fluxo do líquido, mas não das células. » Normalmente eles apresentam separação entre os fluxos de nutrientes e produtos o que contribui para as etapas de purificação de produtos. » Nestes reatores as tensões de cisalhamentos são mínimas (menores do que air-lift). Sendo assim, indicados para células muito sensíveis. Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

26 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

27 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

28 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Os reatores de fase não-aquosa (Fermentação semi-sólida), se caracterizam pela ausência de "água livre" (30 a 80% de umidade). Estático Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

29 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Os “reatores de bandejas” (“stationary trays”), são bastante limitados no que se refere a condições de transferência de oxigênio e controle das condições ambientais do processo. Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

30 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Os Reator tipo Tambor rotativo apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação. Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

31 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente Fluxo Pistonado Leito fixo caracteriza-se pela passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas. Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Gás Leito Fluidizado (gás-sólido)

32 Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores Agitados Mecanicamente Células/Enzimas Livres Agitados Pneumaticamente No Leito fluidizado gás-sólido a fluidização ocorre com elevada vazão de gás, o que além de melhorar a transferência de massa no sistema auxilia no controle da temperatura. Fluxo Pistonado Reatores em fase aquosa (submersa) Leito Fixo Células/Enzimas Imobilizadas Leito Fluidizado Membranas planas Células/Enzimas Confinadas Biorreatores Fibra oca Estático (Bandejas) Reatores em fase não-aquosa (semi-sólida) Agitado (Rotatório) Leito Fixo Leito Fluidizado (gás-sólido)

33 Classificação dos biorreatores
Seleção de um Biorreator 1. Natureza do biocatalisador » Estabilidade da cepa; » Aeróbio ou anaeróbio; » Tamanho e forma das células. 2. Propriedades do meio de fermentação » Propriedades físicas do substrato (líquido ou sólido); » Componentes do meio sensíveis ao calor; » Propriedades reológicas (densidade e viscosidade); » Formação de espuma. 3. Parâmetros bioquímicos do processo » Taxa de transferência de oxigênio; » Dependência da temperatura e pH.