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

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

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.

Células vivas

Microrganismo

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).

Introdução

Exemplos: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.

Introdução

Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como:

» O tipo de biocatalisador:

Células

ou

Enzimas

Classificação dos biorreatores

Levedura Bactéria Animal Vegetal


» A configuração do biocatalizador:

Livres ou imobilizados.



» A forma de agitar o líquido no meio:

Mecânica ou pneumática


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


Classificação Geral dos Biorreatores


Reatores em fase aquosa(submersa)

Reatores em fase

não-aquosa(semi-sólida)

Células/EnzimasLivres

Células/EnzimasImobilizadas

Agitados Mecanicamente

Agitados Pneumaticamente

Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca

Células/EnzimasConfinadas

Estático (Bandejas)

Agitado (Rotatório)

Leito Fixo

Leito Fluidizado (gás-sólido)

Biorreatores

Estático


Fluxo Pistonado

Estático




Reatores em fase




Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

» 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.

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.




Fluxo Pistonado

Estático




Reatores em fase




Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Turbina RUSHTON Turbina Paddle Agitador em âncora

Agitadores de fluxo Radial


Fluxo Pistonado

Estático




Reatores em fase




Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Agitadores de fluxo Axial

Hélice marinhaHélice com fluxo duplo

Hélice com grandes pás

Agitador com fita helicóide



Fluxo Pistonado

Estático





Reatores em fase




Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

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




Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Os reatores agitados pneumaticamente se caracterizam basicamente pela ausência de agitador mecânico, sendo o líquido agitado pelo borbulhamento de gás (normalmente ar).

Coluna de bolhas “Air-lift”

Apresentam menor tensão de cisalhamento, o que torna atraente para o cultivo de células animais e vegetais.

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.




Estático




Reatores em fase




Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Fluxo Pistonado 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.




Reatores em fase




Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores



Fluxo Pistonado

Estático

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.




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Estático

Tem o objetivo de manter elevadas concentrações celulares, consequentemente elevadas produtividades.

Reatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado em suporte inerte como por exemplo:

Pectina, materiais cerâmicos, vidro, sílica, etc.,




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores Nos reatores de leito fixo não há movimentação da partícula (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado.




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Nos reatores de leito fluidizado as partículas (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado se movimentam intensamente.

A fluidização do leito pode ser realizada por:

» Injeção de ar; » Gás inerte; » Corrente de recirculação do líquido no reator.

Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado



Leito Fixo


Estático




Membranas planas

Fibra oca

Células/EnzimasConfinadasBiorreatores




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Membranas planas

» 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.




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Membranas planas




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Estático Os reatores de fase não-aquosa (Fermentação semi-sólida), se caracterizam pela ausência de "água livre" (30 a 80% de umidade).




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

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.




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Os Reator tipo Tambor rotativo apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação.




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

Leito fixo caracteriza-se pela passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas.

Gás




Reatores em fase






Fluxo Pistonado

Leito Fixo

Leito Fluidizado

Membranas planas

Fibra oca




Leito Fixo


Biorreatores

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.

GásGás

1. Natureza do biocatalisador1. Natureza do biocatalisador » Estabilidade da cepa; » Aeróbio ou anaeróbio; » Tamanho e forma das células.

2. Propriedades do meio de fermentação2. 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 processo3. Parâmetros bioquímicos do processo » Taxa de transferência de oxigênio; » Dependência da temperatura e pH.

Classificação dos biorreatoresSeleção de um Biorreator

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

Documents

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