ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP
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ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP
TIPOS DE BIORREATORES
Novembro de 2009
![Page 2: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/2.jpg)
Definição
Reatores químicos nos quais ocorrem reações catalisadas por “Biocatalisadores”.
Enzimas Células vivas
Microrganismos Animais Vegetais
![Page 3: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/3.jpg)
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
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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
![Page 5: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/7.jpg)
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
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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
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Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como:
» A configuração do biocatalizador:
Livres ou imobilizados.
Classificação dos biorreatores
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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
![Page 11: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/11.jpg)
Considerando as várias propostas usualmente encontradas, foi proposta uma classificação mais abrangente.
Classificação dos biorreatores
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Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
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Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
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Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
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.
Agitados Mecanicamente
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Agitados Pneumaticamente
Agitados Mecanicamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Turbina RUSHTON Turbina Paddle Agitador em âncora
Agitadores de fluxo Radial
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Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Agitadores de fluxo Axial
Hélice marinhaHélice com fluxo duplo
Hélice com grandes pás
Agitador com fita helicóide
Agitados Mecanicamente
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Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Agitados Mecanicamente
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Funções da agitação:
» Homogeneizar o Meio;
» Dispersar os gases no Líquido (diminuir o tamanho das bolhas e melhorar a transferência de
oxigênio).
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Agitados Mecanicamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
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.
Agitados Pneumaticamente
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Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
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.
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Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
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.
![Page 21: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/21.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
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.,
![Page 22: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/22.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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 Nos reatores de leito fixo não há movimentação da partícula (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado.
![Page 23: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/23.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
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.
![Page 24: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/24.jpg)
Reatores em fase
não-aquosa(semi-sólida)
Células/EnzimasLivres
Células/EnzimasImobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em fase aquosa(submersa)
Membranas planas
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadasBiorreatores
![Page 25: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/25.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
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.
![Page 26: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/26.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
![Page 27: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/27.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
Fibra oca
Células/EnzimasConfinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Membranas planas
![Page 28: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/28.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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 Os reatores de fase não-aquosa (Fermentação semi-sólida), se caracterizam pela ausência de "água livre" (30 a 80% de umidade).
![Page 29: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/29.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
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.
![Page 30: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/30.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
Os Reator tipo Tambor rotativo apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação.
![Page 31: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/31.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
Leito fixo caracteriza-se pela passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas.
Gás
![Page 32: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/32.jpg)
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação 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
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
![Page 33: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062719/568131db550346895d9841ad/html5/thumbnails/33.jpg)
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