Post on 20-Oct-2015
Biorreatores e Processos Fermentativos
Fermentadores, biorreatores, biorreatores bioquímicos, reatores enzimáticos,
reatores biológicos ou reatores químicos.
Principal característica:
Estrutura física de confinamento que obriga as células a permanecerem em uma região particular de um biorreator.
Grupos dos Biorreatores
Grupo 1:
“Reatores enzimáticos” ou “bioquímicos”
• Tratamento enzimático de efluentes industriais
Grupo 2:
“Reatores biológicos”
• Enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidos orgânicos, solventes,tratamento de resíduos, etc.
Projeto de Reatores
Balanços de Massa e Energia
• Transferência de Massa• Transferência de Calor• Cinética
Modelo Matemático do Reator
e Simulação
Escolha do Reator
• Regime Estacionário• Otimização• Estrutura• Conversão
• Regime Transiente• Controle de Processo• Partida• Paradas
Projeto de Reatores
1. O que se deseja produzir;
2. Determinação de dados químicos e físico-químicos;
3. Dados sobre influência do escoamento;
4. Estudo da transferência de calor e massa;
5. Tipo de Micro-organismo;
6. Escolha das condições operacionais;
7. Cálculo do volume do reator e verificação do seu comportamento;
8. Seleção dos materiais de construção;
9. Estudo da reologia;
10. Estudo da viabilidade econômica e geração de efluente
Principais passos
Tipos de BiorreatoresBiorreatores com células animais:
• Vacinas• Antibióticos• Hormônios• Anticorpos monoclonais• Fatores de crescimento• Produção de alimentos Biorreatores com células vegetais:
• Princípios ativos • Morfina• Quinina• Cosmetologia
Classificação dos Biorreatores:
Quanto ao tipo de biocatalizador: Célula animalCélula vegetalCélula microbianaEnzima
Quanto à configuração do biocatalizador: LivreImobilizadaConfinada em membrana
Quanto a forma de agitar o líquido no biorreator: Movimento disperso Movimento cíclico
Escala de Biorreatores
• 1 a 2 m3 MO patogênicos (animal ou vegetal), ligados a área de saúde.
• 100 a 200 m3 enzimas, antibióticos e vitaminas
• > 1000 m3 fermentação alcoólica, efluentes, etc.
Classificação Geral dos Biorreatores
I ) Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
I.1) Células/enzimas livres
• Reatores agitados mecanicamente (STR)
• Reatores agitados pneumaticamente:
Reatores colunas de bolhas “bubble colunm”
Reatores “Air-lift”
Fluxo pistonado “plug-flow”
Características dos reatores agitados mecanicamente (STR)
• 2:1 ou 3:1;• Chicanas;• Turbinas de pás planas;• Os mais utilizados em escala industrial.
Características dos reatores agitados pneumaticamente
• Ausência de agitador;• Menores tensões de cisalhamento;• Cultivo de células animais/vegetais;
Coluna de bolhas“bubble colunm”
“Air-lift”“loop reactors”
Reatores de fluxo pistonado (“plug-flow”)• Meio + inóculo na entrada• Velocidade constante • Ausência de movimento longitudinal (“backmix”)
Meio e inóculo são misturados a partir da base do reator e a cultura flui, idealmente, em velocidade constante, sem ocorrer mistura longitudinal. O fluxo é contínuo e o tempo dentro do reator é curto, por isso é utilizado para reações rápidas.
Características dos reatores agitados pneumaticamente
I ) Reatores em fase aquosa (Fermentação Submersa)
I.2) Células/Enzimas imobilizadas em suporte
• Reatores com leito fixo• Reatores com leito fluidizado
II ) Reatores em fase aquosa (Fermentação Submersa)
II.1) Células/Enzimas confinadas entre membranas
• Reatores com fibra oca
II ) Reatores em fase aquosa (Fermentação Submersa)
II.1) Células/Enzimas confinadas entre membranas
Reatores com membrana plana
II ) Reatores em fase não aquosa (Fermentação Semi-sólida)
• Reatores Estáticos (Reatores com bandejas)• Reatores com agitação (Tambor rotativo)• Reatores com leito fixo• Reatores com leito fluidizado (gás-sólido)
Formas de condução de um processo fermentativo
Tipo de Reator
Número de Fases
Geometria do Reator
• Catalítico• Não catalítico
• Homogêneo• Heterogêneo
• Tanque com agitação• Tubular• Leito com enchimento – fixo ou móvel• Leito fluidizado
Número de Fases Presentes
Homogênea
Reagentes, Produtos, Inertes e Catalisadores se encontram em única fase (Líquida ou Gasosa)
• Líquida – vários modos de operação• Gasosa – operação contínua
Heterogênea
Um dos elementos com fase distinta do outro (ou outros)
• Líquido – Gás• Líquido – Sólido• Líquido – Líquido• Líquido – Gás – Sólido• Gás – Sólido
(a) Oxigenação não dispersiva. (b) Oxigenação dispersiva convencional
(a) (b)
Comparação entre a produção de ramnolipídeos utilizando a oxigenação convencional e a oxigenação por contactores com
membranas.
A imobilização é conseguida através do contato do material utilizado para a imobilização com as células vivas que se pretende imobilizar, sob condições ambientais controladas. O material utilizado para a imobilização é denominado Suporte.
Características de um suporte:
a) Não ser tóxico para as células; b) Ter alta capacidade de retenção;c) Ser resistente ao ataque químico e microbiano;d) Ter pouca sensibilidade às possíveis solicitações mecânicas (compressão por peso, tensões de cisalhamento ou pressões internas ou externas de gases);e) Alta difusividade de substratos e de produtos.
Células imobilizadas em suportes Biorreator ou fermentador
• Possibilidade de utilização de altas concentrações celulares no volume reacional, implicando em maiores velocidades de processamento;
• Operação de sistemas contínuos com velocidade de alimentação acima da velocidade específica máxima de crescimento da célula (não imobilizada);
• Eliminação de problemas com reciclo externo de células (sedimentadores, filtros, centrífugas);
• Provável obtenção de maiores fatores de conversão de substrato ao produto desejado;
• Possibilidade de utilização de projetos de biorreatores mais adequados à cinética dos sistema biológico utilizado;
• Maior proteção ao sistema biológico em relação ao estresse ambiental, ocasionado por elevadas concentrações de substratos, pH e cisalhamento.
Vantagens do uso da célula imobilizada
Métodos de imobilização em partículas: células imobilizadas em suportes biorreator ou fermentador
Polímeros naturais Polímeros sintéticos Materiais Inorgânicos
Ágar Poliacrilamida Alumina
Alginato Cloreto de polivilina Sílica
Pectina Poliestireno Zircônia
Dextrana Poliuretano Vidro
Colágeno Polietileno glicol Diatomita
Celulose Vermiculita
Métodos de imobilização: adsorção, ligação covalente e envolvimento