Tipos de bioreatores

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Classificação geral dos biorreatores
Disciplina: ENGENHARIA BIOQUÍMICA
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS
Curso: ENGENHARIA DE ALIMENTOS
Prof. Dra. Luciana Casaletti
Prof. MSc. Flávio Carvalho Marques
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São grandes recipientes geralmente de aço inox com capacidade de suportar altas temperaturas e pressões dentro dos limites pré–estabelecidos através de estudos para determinada reação.
Reatores podem ser abertos para realizar misturas ou fechados para suportar a pressão gerada durante o processo de fabricação de um determinado produto.
REATORES
Capacidade dos biorreatores: 
A capacidade dos biorreatores é bastante variável: 
100 L - 2 m3 : Micro-organismos patogênicos, células vegetais e animais (produtos na área da saúde), etc...
100 m3 – 200 m3: Produção de enzimas, antibióticos e vitaminas, etc...
até alguns milhares de m3: Fermentação alcoólica, tratamento biológico de resíduos e etc...
Classificação geral dos biorreatores
Denominam-se: biorreatores, reatores bioquímicos ou reatores biológicos, os reatores químicos nos quais ocorrem uma série de reações químicas catalisadas por “biocatalisadores”
Podem ser células vivas 
 (microbianas, animais ou vegetais)
Os biorreatores podem ser classificados em dois grandes grupos:
a. Grupo 1: biorreatores nos quais as reações ocorrem na ausência de células vivas, ou seja, são tipicamente os reatores enzimáticos.
b. Grupo 2: biorreatores nos quais as reações se processam na presença de células vivas, reatores biológicos.
Outros autores utilizam a denominação:
 Reatores bioquímicos: para reatores que NÃO utilizam células vivas;
 Reatores biológicos: para aqueles reatores que apenas operam com células vivas.
Os reatores com células vivas ou biológicos
 São os mais conhecidos e difundidos, desde 1940.
 São utilizados na indústria em uma grande variedade de produtos tais como: enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidos orgânicos, solventes, tratamento de resíduos orgânicos industrial e domésticos.
 O reator é o coração dos processos bioquímicos.
 Do ponto de vista da Engenharia, dependendo do tipo de micro-organismo utilizado os reatores adquirem características bem distindas no que se refere aos fenômenos de transporte que ocorrem no reator, como calor, massa e quantidade de movimento.
Exemplo: bactérias e fungos possuem um comportamemtno reológico muito diferente dos fungos filamentosos.
Há biorreatores que operam com grande concentração de células e portanto, possuem altas velocidades de conversão do substrato em produto.
Exemplos: 
Fermentação alcoólica: opera com 30 gramas de células/litro de meio (peso seco).
Biorreatores com micro-organismos recombinantes: opera com 100 gramas de células/ litro de meio (peso seco).
Observação: devido esta grande quantidade de células, os reatores exigem condições especiais de operação.
Portanto, na literatura há várias formas de classificar os biorreatores: 
1. Quanto ao tipo de biocatalisados (células ou enzimas).
2. Quanto à configuração do biocatalisador (células/enzimas livres ou imobilizadas).
3. Quanto à forma de se agitar o líquido no reator.
A classificação mais utilizada é de Kleinstreur
Kleinstreur, C. Analysis of biological reactors. In: Bungay, HR, Belfort G. Advanced Biochemical Engineering. Nova York, John Wiley & Sons, Inc, cap.3, p.33-78, 1987.
Que propõem uma classificação mista com base no tipo de biocatalisados empregado (enzima, micro-organismo aeróbico ou anaeróbico) e na configuração deste (livre, imobilizado ou confinado entre membranas).
BIORREATORES – Classificação mista
1. Reatores em fase aquosa (fermentação submersa).
1.a. Células/enzimas livres:
	* Reatores agitados mecanicamente (STR; “stirred tank reactor”)
	* Reatores agitados pneumaticamente: 
		- Coluna de bolhas (“bubble column”)
		- Reatores “air lift”
	*Reatores fluxo pistonado (“plug-flow”)
1.b. Células/enzimas imobilizadas em suportes:
	* Reatores com leito fixo
	* Reatores com leito fluidizado
1.c. Células/enzimas confinadas entre membranas:
	* Reatores com membranas planas
	* Reatores com fibra oca (“hollow fiber”)
BIORREATORES – Classificação mista
2. 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
Reatores em fase aquosa 
(fermentação submersa).
Reatores agitados mecanicamente (STR; “stirred tank reactor”)
-São os mais utilizados, cerca de 90% do total dos reatores utilizados na indústria e são também conhecidos como reatores de mistura.
Forma e tamanho: tanque cilíndrico e a relação entre a altura e diâmetro é de 2:1 ou 3:1
- Normalmente são equipados com chicanas (“baffles”), para evitar a formação do vórtex durante a agitação do líquido .
Chicanas/baffles
Sem chicana 
Com vortex
Com chicana
Sem vortex
Agitador
Pás planas
O agitador é montado num eixo central para ao fermentador e possui ao longo de sua altura uma série de turbinas sendo a mais comum a turbina de pás planas (“flat blade”) também conhecida como turbina de “Rushton”.
Reatores agitados pneumaticamente.
- Existem dois tipos:
	Coluna de bolhas (“bubble column”).
	Reatores “air lift”.
Caracterizam basicamente pela ausência da agitação mecânica, o liquído é agitado pelo borbulhamento de gás (ar) no reator.
Consequência: devido a ausência de movimentação mecância, há uma menor taxa de cisalhamento.
Recomendado para cultivo de células animais e vegetais.
Coluna de bolhas 
(“bubble column”)
Air lift
Coluna de bolhas
Movimentação do líquido:
- Movimento aleatório do líquido no interior do reator.
- Também chamados de reatores tipo Torre.
Movimentação do líquido:
- Há uma movimentação cíclica do fluido.
Movimentação bem definida através de dispositivos e arranos internos. 
Também chamados de “Loop reactors”.
Air-lift
Reatores de fluxo pistonado (“plug-flow”)
Plug-flow
- 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 com células/enzimas imobilizadas em suportes.
- Dependendo da movimentação relativa das partículas distinguem-se dois tipos:
* Leito fixo: movimentação das partículas quase inexistente.
* Leito fluidizado: movimentação intensa das partículas. Esta movimentação pode ser provocada por gás inerte, ar ou por uma corrente de recirculação de líquido no reator.
- Reatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado em suporte inerte como por exemplo: alginato, K-carragena, pectina, cerâmicas, vidro, sílica, etc...
Objetivo deste tipo de reatores e manter elevadas concentrações celulares, consequentemente elevada produtividade. 
Células imobilizadas
Leito Fixo
Células imobilizadas
Leito Fluidizado
Movimentação das partículas quase inexistente.
Movimentação intensa das partículas provocada por gás, ar ou recirculação do líquido no reator.
Reatores com células/enzimas imobilizadas entre membranas.
Caracterizam por apresentarem as células confinadas entre membranas semipermeáveis (“entrapped biocatalyst”) as quais permitem o fluxo de líquido, mas não a passagem de células.
Como ocorre a passagem dos nutrientes e produtos através de membranas, esse tipo de reator também pode ser designado de reator de perfusão.
Apresentam-se em dois tipos: 
	Membranas planas 
	Fibra oca (“hollow-fiber”)
Membranas Planas
Reatores com membranas planas:
-Tensão de cisalhamento é mínima, inferiores as dos reatores “air lift”.
- Indicados para células animais extremamente sensíveis ao cisalhamento.
Tipos de membrana
Reatores fibra oca (hollow fiber):
- Consite em um feixe de fibras capilares de material semi permeável, no interior das quais ocorre escoamento laminar do meio de cultura, permanecendo as células na regiãoanular entre as fibras.
Fibra Oca - Hollow-fiber
Células
Hollow
fibers
Nutrientes
dentro
“Waste”
fora
Hollow fibers
http://www.americanlaboratory.com/914-Application-Notes/114793-The-Hollow-Fiber-Bioreactor-and-Cell-Co-Cultivation/
2. Reatores em fase não-aquosa 
(fermentação semi-sólida).
Reatores em fase não-aquosa (fermentação semi-sólida).
São empregados para os processos de fermentação semi-sólida.
Há ausência de água livre.
-Teor de umidade varia de 30 a 80% - dependendo das características de retenção de água dos substratos utilizados.
- Tipos de reatores de fase não-aquosa:
	* Reatores estáticos (reatores com bandejas)
	* Reatores com agitação (tambor rotativo)
	* Reatores com leito fixo
	* Reatores com leito fluidizado gás-sólido
 - 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 estáticos (reatores com bandejas)
- Podem ter fundo inteiriço ou serem perfuradas. A disposição das bandejas deve ter local apropriado, podendo serem utilizadas salas com estantes e circulação de ar natural ou forçada, passando antes por umidificadores.
Reatores com agitação (tambores rotativos)
Agita-se o meio de cultura através de tambores rotativos.
- Com este sistema é possível obter-se um melhoria nas condições de transferência do oxigênio e homegenização.
Reatores leito fixo e fluidizado com gás-sólido.
Nestes reatores há passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas.
Leito fluidizado, vantagens:
Proprociona suspensão de sólidos na corrente gasosa.
Promove uma melhor condição de transferência de massa no sistema (nutriente, oxigênio).
Auxilia no controle da tempertaura.
Observação:
A fluidização é a operação pela qual as partículas sólidas são transformadas através de suspensão em um gás ou líquido. 
Supensão de sólidos
GRACE, J. R., 1984 -Hydrodynamics of gas fluidized beds, fluidized bed boilers: design and application
Queda de pressão no leito em função da velocidade do gás
GásGás