07 - Biorreatores

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Biorreatores 
 Prof. Dr. Guilherme Antônio Lopes de Oliveira 
 
Definição 
Reatores químicos nos quais ocorrem reações 
catalisadas por “Biocatalisadores”. 
Enzimas Células vivas 
Microrganismos Animais Vegetais 
BIORREATORES 
 
 
BIORREATORES OU REATORES BIOQUÍMICOS OU 
REATORES BIOLÓGICOS 
GRUPO 1. REATORES ENZIMÁTICOS: ONDE AS 
REAÇÕES OCORREM NA AUSÊNCIA DE CÉLULAS 
(REATORES BIOQUÍMICOS); 
GRUPO 2: BIORREATORES ONDE AS REAÇÕES 
OCORREM NA PRESENÇA DE CÉLULAS 
(REATORES BIOLÓGICOS); 
TIPOS DE BIORREATORES 
QUANTO AO TIPO DE BIOCATALISADOR 
(Células ou Enzimas) 
 
QUANTO A CONFIGURAÇÃO 
(Células/Enzimas livres, Células/Enzimas 
Imobilizadas) 
 
QUANTO À FORMA DE AGITAÇÃO DO MEIO 
1. CÉLULAS OU ENZIMAS LIVRES: 
Reatores agitados mecanicamente (STR, Stirred Tank 
Reactor; (também conhecidos como reatores de mistura e 
são utilizado em 90% dos casos); 
 
Tamanho varia entre: 
1 à 2 m3 ( cultivo de microrganismos patogênicos); 100 à 200 
m3 (produção de enzimas, antibióticos, vitaminas); Milhares 
de m3 (fermentação alcoólica). 
 
 
TIPOS DE BIORREATORES 
REATORES EM FASE AQUOSA 
1. CÉLULAS OU ENZIMAS LIVRES: 
Reatores agitados pneumaticamente (Colunas de 
Bolhas- bubble column, Reatores Air-Lift); 
 Geralmente não possuem agitador mecânico, são 
agitados por borbulhamento de ar - menores tensões de 
cisalhamento (utilizados para cultivos de células animais 
e vegetais; 
 
Reatores de fluxo pistonado 
Inóculo e meio são misturados na entrada do sistema. 
TIPOS DE BIORREATORES 
REATORES EM FASE AQUOSA 
Reatores com Leito Fluidizado: intensa mobilidade celular devido a 
injeção de ar, gás inerte ou recirculação do meio. 
 
3. CELULAS OU ENZIMAS CONFINADAS EM MEMBRANAS 
Reatores com membranas planas; 
Reatores de fibra oca; 
2. CÉLULAS OU ENZIMAS IMOBILIZADAS 
 
Reatores com Leito Fixo: Possuí elevada 
concentração celular, com pouca ou nenhuma 
movimentação celular e isto aumenta a produtividade; 
TIPOS DE BIORREATORES 
REATORES EM FASE AQUOSA 
(Fermentação Semi-Sólida) Ausência de “água livre”, 
umidade varia entre 30 e 80% 
Reatores Estáticos (reatores com bandeja); 
Reatores com agitação (tambores rotativos); 
Reatores com leito fixo; 
Reatores com leito fluidizado gás-sólido. 
TIPOS DE BIORREATORES 
REATORES EM FASE NÃO AQUOSA 
Introdução 
São os biorreatores mais 
conhecidos e utilizados. 
 São empregados desde a 
década de 40 para a 
produção industrial de 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 em função dos agentes biológicos 
empregados. 
 
 Podem possuir características bem distintas no 
que se refere a fenômenos de transporte (calor, massa 
e quantidade de movimento, que são empregados em 
cada tipo). 
 
 
Biorreatores 
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 
 
Biorreatores 
 REVISANDO: 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. 
Biorreatores 
 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. 
Biorreatores 
 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 
 Na literatura existem várias formas possíveis para 
a classificação de biorreatores, tais como: 
 
» A configuração do biocatalizador: 
 Livres ou imobilizados. 
 
Classificação dos biorreatores 
 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 
 
 
 Considerando as várias propostas usualmente 
encontradas, foi proposta uma classificação mais 
abrangente. 
Classificação dos biorreatores 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
Estático (Bandejas) 
Agitado (Rotatório) 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado (gás-sólido) 
Biorreatores 
Estático 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
Estático (Bandejas) 
Agitado (Rotatório) 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado (gás-sólido) 
Biorreatores 
Estático 
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/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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. 
 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 
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/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
Estático (Bandejas) 
Agitado (Rotatório) 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado (gás-sólido) 
Biorreatores 
Turbina RUSHTON Turbina Paddle Agitador em âncora 
Agitadores de fluxo Radial 
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/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
Estático (Bandejas) 
Agitado (Rotatório) 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado (gás-sólido) 
Biorreatores 
Agitadores de fluxo Axial 
Hélice marinha 
Hélice com 
fluxo duplo 
Hélice com 
grandes pás 
Agitador com 
fita helicóide 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Estático 
AgitadosMecanicamente 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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). 
 
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/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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 
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/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
Estático (Bandejas) 
Agitado (Rotatório) 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado (gás-sólido) 
Biorreatores 
Fluxo Pistonado 
 Nos reatores de fluxo pistonado 
o inóculo e o meio são misturados 
na entrada do sistema, sendo que a 
cultura flui com uma velocidade 
constante e em regime laminar. 
 
 Há portanto uma variação da 
concentração de nutrientes, 
células e produto ao longo do 
comprimento do reator. 
P = Produto 
X = Células 
 S = Substrato 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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. 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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., 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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. 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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. 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
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/Enzimas 
Confinadas Biorreatores 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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. Sendo 
assim, indicados para células muito 
sensíveis. 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
Estático (Bandejas) 
Agitado (Rotatório) 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado (gás-sólido) 
Biorreatores 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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). 
 ClassificaçãoGeral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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. 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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. 
 
 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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 
 Classificação Geral dos Biorreatores 
Classificação dos biorreatores 
Reatores em 
fase aquosa 
(submersa) 
Reatores em 
fase 
não-aquosa 
(semi-sólida) 
Células/Enzimas 
Livres 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
Agitados Mecanicamente 
Agitados Pneumaticamente 
Fluxo Pistonado 
Leito Fixo 
Leito Fluidizado 
Membranas planas 
Fibra oca 
Células/Enzimas 
Confinadas 
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
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; 
 » Formação de espuma. 
3. Parâmetros bioquímicos do processo 
 » Taxa de transferência de oxigênio; 
 » Dependência da temperatura e pH. 
Então, deve-se levar em 
consideração: 
 Créditos: 
 
 
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA 
 EEL / USP