Reatores Bioquímicos: Tipos e Funcionalidades na Indústria de Bioprocesso

Universidade Federal do Rio Grande FURG Engenharia Bioquímica Reatores Bioquímicos II Prof Larine Kupski São o coração da indústria de bioprocesso Podem ser definidos como recipientes no qual os substratos são transformados reações bioquímicas em produtos de interesse através da ação de células viáveis ou de enzimas Biorreatores Biorreator de bancada escala de laboratório Biorreator de industrial escala de industrial Fermentação em frasco Biorreator planta piloto Biorreatores Biorreatores 5 Biorreatores Reatores agitados mecanicamente STR Stir tank reactor Reatores de fluxo pistonado plug flow Reatores agitados pneumaticamente Coluna de bolhas Air lift Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas livres Reatores agitados mecanicamente STR Stir tank reactor São os mais utilizados industrialmente cerca de 90 dos biorreatores industrias Agitação mecânica favorece a homogeneização suspensão de sólidos dispersão gáslíquido aeração e a transferência de calor e massa Baixo custo de manutenção Fácil limpeza Controle Tº incubadora serpentina camisa trocador calor externo Biorreatores Reatores agitados mecanicamente STR Stir tank reactor Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas livres Reatores agitados mecanicamente STR Stir tank reactor Biorreatores Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas livres Reatores agitados pneumaticamente Coluna de Bolhas Construção simples Sem partes móveis Recipiente com distribuidor de gás Entrada de ar pelo fundo Ausência de agitação mecânica Menores tensões de cisalhamento Ideal para células animais e vegetais Biorreatores Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas livres Reatores agitados pneumaticamente AirLift Agitação realizada por injeção de ar Biorreatores Riser região onde as bolhas de gás são liberadas por dentro ou por fora do tubo central Downcomer líquido flui de forma descendente permitindo a circulação de bolhas e aumentando a eficiência da mistura Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas livres Reatores agitados pneumaticamente AirLift Extrema simplicidade Baixo investimento Menor consumo de energia Menor tensão se cisalhamento Muita espuma quanto tem alta aeração Baixa mistura fluido com alta viscosidade Biorreatores Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas livres Reatores fluxo pistonado O inóculo e o meio são misturados na entrada do sistema 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 Biorreatores 12 Biorreatores Movimentação das partículas Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas imobilizadas Reatores com leito fixo Movimento constante de substrato através leito fixo Alimentação superior ou inferior Possibilidade de utilização de altas concentrações celulares no volume reacional implicando em maiores velocidades de processamento Meio cultura livre de partículas entupimento Aeração externa Não recomendado para processos com produção de gases Saída reator tela para retenção partículas Partículas relativamente incompressíveis Biorreatores Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas imobilizadas Reatores com leito fixo Biorreatores Provável obtenção de maiores fatores de conversão de substrato ao produto desejado Fácil recuperação do produto fermentado não há necessidade de separar as células Entupimento Deficiência na transferência de O2 e nutrientes Pode ocorrer zonas com diferença de temperatura Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas imobilizadas Reatores com leito fludizado Biorreatores Entrada do gás Saída do gás Injeção ar Injeção gás inerte Corrente de recirculação de líquido Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas imobilizadas Reatores com leito fludizado Biorreatores Entrada do gás Saída do gás Movimento intenso das partículas Alta taxa de transferência e homogeneização Baixo atrito Fácil recuperação do produto não precisa separar as células Não há problemas de entupimento como leito fixo Biorreatores Reatores em fase aquosa fermentação submersa Células e enzimas confinadas entre membranas Biorreatores Célulasenzimas mantidas confinadas entre membranas semipermeáveis Permitem o fluxo do líquido mas não das células Separação fluxo nutriente e produtos metabólicos primeira operação separação Alta densidade celular e produtividade volumétrica Baixa tensão de cisalhamento menor que air lift Baixa estabilidade de processo entupimento membrana httpswwwyoutubecomwatchvShsTfmeKBbM 19 Biorreatores A cultura de microrganismos fica sobre ou dentro de partículas em matriz sólida substrato ou material inerte A matriz sólida é umedecida pelo substrato ou meio umidificante a um nível de atividade de água que assegure o crescimento e metabolismo das células Os microrganismos mais utilizados são os fungos filamentos Rhizopus Trichoderma Penicillium e Aspergillus Reatores em fase não aquosa fermentação semisólida Reatores estáticos reatores com bandejas São bastante limitados no que se refere a condições de transferência de oxigênio e controle das condições ambientais do processo Biorreatores Reatores em fase não aquosa fermentação semisólida Reatores com agitação tambor rotativo Apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação Biorreatores Reatores em fase não aquosa fermentação semisólida Reatores com agitação tambor rotativo Apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação Biorreatores Reatores em fase não aquosa fermentação semisólida Biorreatores Reatores com leito fixo Leito fixo caracterizase pela passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas Reatores com leito fluidizado Fluidização ocorre com elevada vazão de gás o que além de melhorar a transferência de massa no sistema auxilia no controle da temperatura 24 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 Biorreatores