Biorreatores para FS e FES

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Biorreatores para Fermentação Submersa (FS) e Fermentação em Estado Sólido (FES)
Biorreator: equipamento utilizado para proporcionar as condições adequadas (físicas, químicas e biológicas) para o crescimento de microrganismos ou ação de enzimas, visando à geração máxima de um produto de interesse, como enzimas, antibióticos, vitaminas e ácidos orgânicos.
Aspectos importantes:
· Concentração de biomassa celular adequada no sistema
· Manutenção da esterilidade para evitar contaminações
· Eficiência de agitação, assegurando uma distribuição homogênea de nutrientes e microrganismos
· Suprimento adequado de oxigênio (ou a manutenção de um ambiente estritamente livre de oxigênio, se o processo for anaeróbio)
· Controle térmico (remoção de calor)
· Monitoramento e controle de parâmetros operacionais fundamentais: temperatura, pH e aeração
Etapas de um Bioprocesso e Divisão dos Equipamentos
· Equipamentos Acessórios: Diretamente ligados ao biorreator para garantir o seu funcionamento básico, como sistemas de esterilização do vaso, do meio e do ar; motores e agitadores; compressores de ar e aeradores; e sensores (oxigênio dissolvido, temperatura, pH, controle de espuma).
· Equipamentos Auxiliares: Não envolvidos diretamente com a reação fermentativa em si, mas cruciais para o preparo inicial do inóculo/matéria-prima e para as etapas posteriores de purificação do produto (ex: filtros-prensa, centrífugas, evaporadores, destiladores e sistemas de micro e ultrafiltração).
Os biorreatores podem ser classificados quanto:
BIOCATALISADOR:
1 - Células vivas
microbianas, vegetais e animais
Produção de grande diversidade de produtos. Ex. enzimas, ácidos orgânicos, vitaminas, biomassa, antibióticos, tratamento de efluentes
2 – Enzimas
processos que requerem poucas reações. Ex. produção de xarope de glicose
CONFIGURAÇÃO DO BIOCATALISADOR
1 – Forma livre
2 – Forma Imobilizada de suporte
Vantagens: acúmulo de elevadas concentrações celulares no interior do reator, maior proteção do sistema biológico contra estresses ambientais e facilitação das etapas de separação e purificação do produto final.
· Materiais de suporte comuns: Polissacarídeos naturais (alginato de cálcio, agarose, quitosana), proteínas (gelatina, colágeno), polímeros sintéticos (poliacrilamida, poliuretano, PVA), materiais inorgânicos porosos (sílica, cerâmica), carvão ativado e resinas sintéticas de troca iônica.
· Biorreator de Leito Fixo: O suporte sólido contendo as células imobilizadas permanece praticamente estático no interior do vaso.
· Biorreator de Leito Fluidizado: O suporte sólido é intensamente movimentado e suspenso por um fluxo ascendente de gás, ar, líquido ou recirculação do próprio meio.
3 – Forma confinada em membranas
As células são fisicamente retidas por membranas semipermeáveis de microfiltração, que impedem a passagem celular mas permitem o fluxo livre de líquidos, nutrientes e produtos.
Vantagens: Separação física imediata entre nutrientes e produtos (facilitando o downstream), altas concentrações de biomassa e tensões de cisalhamento ainda menores do que as do sistema air-lift.
Configurações: Membranas planas ou fibras ocas (hollow fibers, onde o meio circula por dentro dos tubos capilares e as células ficam retidas no espaço externo entre as fibras). Podem operar com sistemas de membranas submersas ou externas (MBR).
AGITAÇÃO:
1 - Agitação Mecânica (Tanques Agitados)
Constituem cerca de 90% dos reatores industriais (reatores convencionais).
· Geometria: Vasos cilíndricos entre 2:1 e 3:1, podendo atingir até 6:1.
· Chicanas: Placas metálicas verticais instaladas na parede interna do reator. Sua função é impedir a formação de vórtex (que prejudica a homogeneização), melhorar a eficiência da mistura, dispersar melhor os gases, nutrientes e células, aprimorar a transferência de massa/calor e favorecer a quebra de bolhas de ar.
· Agitadores: Montados em um eixo central (com motor superior ou inferior), utilizam turbinas como a de pás planas (a mais comum), turbinas de seis pás, tipo lâmina ou hélice marinha. Eles auxiliam na homogeneização, transferência de oxigênio/calor e regulam a tensão de cisalhamento.
· Capacidade Operacional: 
100 L a 2.000 L: Cultivo de células animais ou microrganismos patogênicos.
10 a 200 m³: Produção de enzimas, antibióticos e vitaminas.
1.000 m³: Processos com menor exigência de assepsia, como produção de etanol combustível e tratamento de efluentes.
2 - Agitação Pneumática 
Caracterizam-se pela ausência de agitadores mecânicos, ocorrendo a movimentação do líquido exclusivamente pelo borbulhamento de gás. Mais caros
Vantagem: Apresentam menor tensão de cisalhamento, sendo ideais para cultivos sensíveis, como células animais.
· Coluna de Bolhas: O movimento do líquido dentro do reator ocorre de forma aleatória.
· Air-lift: O fluido realiza um movimento cíclico bem definido, direcionado por dispositivos e divisões internas no reator.
3 - Fluxo Pistonado (Plug Flow)
O meio de cultivo e o inóculo são introduzidos e misturados na entrada do biorreator, fluindo ao longo do seu comprimento com velocidade constante. Há um gradiente de concentração linear: a entrada apresenta a maior concentração de substrato e a saída possui a maior concentração do produto acumulado.
FASE
1 - Fermentação Submersa (FS)
Operam com uma fase líquida contínua onde os nutrientes estão dissolvidos.
· Embora existam sistemas não agitados/não aerados, os reatores agitados e aerados são os de maior interesse industrial.
· Gargalo do Escalonamento (Scale-up): O fornecimento de oxigênio para as células depende de sua dissolução prévia no meio líquido. Como a solubilidade do oxigênio na água é muito baixa, esta transferência de massa costuma ser o principal fator limitante para aumentar a escala do processo.
2 - Fermentação em Estado Sólido (FES)
A FES ocorre na ausência ou quase ausência de água livre, utilizando um substrato sólido úmido. São processos tipicamente descontínuos (batelada) e seus biorreatores são classificados conforme a presença de agitação e aeração forçada
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Biorreatores
Biocatalisador
Config do biocatalisador
Agitação
Fase
Células
Enzimas
Aquosa (FS)
Não-aquosa (FES)
Mecânica
Pneumática
Fluxo pistonado
Forma livre
Imobilizadas em suportes 
Confinadas em membranas
Air-lift 
Coluna de bolhas
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