Biorreatores e Processos Fermentativos

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.

O que são Biocatalizadores?

Enzimas ou células vivas (microbianas, animais ou vegetais)

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.

Escala de Biorreatores

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)

II) Reatores em fase semi-sólida (Fermentação Semi-sólida)

Reatores de colunas aeradas

Reatores estáticos (bandejas)

Reatores com agitação(Tambor Rotativo)

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

Importância da agitação no reator

Sem chicanas Com chicanas

“Air-lift” de Vidro borossilicato

Esquema de um reator contato gás/líquido

(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.

Fermentador “Air-lift”

Compressor de ar

Regulador de pressão de linha

Fermentador “Air lift” em escala industrial e experimental

Importante: Controle de todos os parâmetros !!!

Importante: Controle de todos os parâmetros !!!

Células imobilizadas

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

Foto do sistema utilizado para a imobilização de Saccharomyces cerevisiae em alginato de sódio.

Modelo de Reator com células imobilizadas e direcionador de fluxo

• 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

Reator anaeróbio STR no tratamento de efluentes

Reator anaeróbio com partículas de poliuretano

TDH: 18 h.Volume: 3,5 LQ: 0,05 ml/s

Reator anaeróbio com direcionador de fluxo

TDH: 20 h.Volume: 6,0 LQ: 0,10 ml/s

Tanques de fermentação para produção de vinho

Tanques de fermentação para produção de cerveja

Tanques de fermentação para produção de iogurte