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

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

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

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).

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

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.

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.

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

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

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

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

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)

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)

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)

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

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

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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)

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.