biorreatores 2016

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Reatores químicos nos quais ocorrem reações 
catalisadas por “Biocatalisadores”. 
Enzimas Células vivas 
Microrganismos Animais Vegetais 
 
 
 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). 
 
 
 
» O tipo de biocatalisador: 
 
 
 
Células 
 
 ou 
 
Enzimas 
 
Levedura Bactéria Animal Vegetal 
 
 
» A configuração do biocatalizador: 
 Livres ou imobilizados. 
 
 
» A forma de agitar o líquido no meio: 
 Mecânica ou pneumática 
Capacidade dos biorreatores - industrial 
 
 É bastante variável, conforme o processo em questão. Podem ser 
distintos em três grupos: 
 
 Pequena escala: centenas de litros até 1 a 2 m3 de capacidade. Utilizados 
no cultivo de microrganismos patogênicos e crescimento de células animais 
ou vegetais, objetivando a produção de produtos ligados a área da saúde. 
 
 Escala intermediária: dezenas de m3 a 100-200 m3 de capacidade. Utilizados 
na produção de enzimas, antibióticos e vitaminas. 
 
 Grande escala: milhares de m3 de capacidade. Utilizados em fermentação 
alcoólica ou tratamento de resíduos. 
 Classificação Geral 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 
 
90% do 
biorreatores 
utilizados 
industrialmente 
 
STR 
Coluna 
de 
bolhas Air-lift 
Plug-flow 
Células 
imobiliza
das 
leito fixo 
Membranas 
planas 
Fibra oca 
(Hollow-fiber) 
Células 
imobiliza
das 
leito 
fluidizado 
T
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s
a
 
Reatores com 
Células/Enzimas 
Livres 
Reatores agitados mecanicamente (STR): 
consiste em um tanque cilíndrico com agitação 
mecânica. 
O agitador é montado num eixo central do 
fermentador, possuindo, ao longo de sua altura, 
uma série de turbinas, as quais podem ser de 
diferentes tipos. 
Normalmente é equipado com Chicanas, 
utilizadas para evitar a formação de vórtice. 
Funções da agitação: 
» Homogeneizar o Meio; 
» Dispersar os gases no Líquido (diminuir o tamanho 
das bolhas e melhorar a transferência de oxigênio). 
 
Agitação mecânica favorece a 
homogeneização, suspensão de sólidos, 
dispersão gás-líquido, aeração e a 
transferência de calor e massa 
 
O tipo, tamanho e número de 
agitadores, bem como a localização 
influenciam diretamente na mistura e 
transferência de massa no reator. 
 
A velocidade de rotação (rpm) dos 
agitadores é definida pelo usuário. 
Agitadores de fluxo Radial 
Turbina RUSHTON Turbina Paddle Agitador em âncora 
Agitadores de fluxo Axial 
Hélice marinha Hélice com 
fluxo duplo 
Hélice com 
grandes pás Agitador com 
fita helicóide 
Reatores agitados pneumaticamente (b e c): se caracterizam basicamente 
pela ausência do agitador mecânico, sendo a agitação do líquido efetuada 
apenas pelo borbulhamento de um gás (normalmente ar) no reator. 
 
Menores tensões de cisalhamento  cultivo de células animais e vegetais. 
 
Quando há serpentinas internas, passam a funcionar mais 
como air-lift e não como bubble column fermenter 
A diferença básica entre o reator coluna de bolhas e Air-Lift, é que este 
último tem movimentação cíclica do líquido (bem ordenado) e o primeiro 
apresenta movimentação aleatória 
(b) Bubble column: coluna de bolhas tem 
movimento aleatório do líquido dentro do reator. 
 
Ponto de vista construtivo – mais simples 
Cilindro com fundo e tampas abauladas 
Serpentinas de resfriamento internas ou externas 
Entrada de ar pelo fundo 
 
Produção de ácido cítrico até antibióticos 
(c) Air-lift: movimentação cíclica 
do líquido através de dispositivos 
e arranjos internos construídos 
com esse propósito. 
Promove movimentação cíclica do fluido usando 
um cilindro central em cuja base é inserido o ar 
Fluxo pistonado (plug-flow): o inóculo e meio de cultura são 
misturados na entrada do sistema, sem haver mistura longitudinal, a 
cultura flui com uma velocidade constante e em regime laminar. Ocorre 
variação na concentração dos nutrientes e das células ao longo do 
comprimento do reator. Há portanto uma variação da concentração de 
nutrientes, células e produto ao longo do comprimento do reator. 
 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. 
Reatores com 
Células/Enzimas 
Imobilizadas 
 
 Leito fixo (e): a movimentação é praticamente inexistente; 
 
Células / enzimas imobilizadas: o biocatalisador se encontra imobilizado em 
um suporte inerte como, por exemplo, alginato, ágar, K-carragena, pectina, 
vidro, sílica, etc. 
 A finalidade de utilizar células / enzimas imobilizadas é a 
manutenção de elevadas concentrações celulares  elevadas 
produtividades. 
 Dependendo da movimentação das partículas, os reatores se 
dividem em: 
Vantagens: fácil recuperação do produto; 
Desvantagens: deficiência na transferência de O2 e nutrientes; 
entupimento (crescimento de células) e alterações de fluxo (caminhos 
preferenciais); homogeneização prejudicada; com o tempo há perda de 
células por lavagem. 
 
 Leito fluidizado (f): há movimentação intensa 
das partículas, sendo que a fluidização do leito 
pode ser feita por injeção de ar, gás inerte ou 
pela recirculação do líquido do reator. 
Muito usado na industria petroquímica. 
Reatores com 
Células/Enzimas 
Confinadas 
Células confinadas entre membranas: os biorreatores de 
de membranas planas (g) e de fibra oca (h) caracterizam-
se por manterem as células confinadas entre membranas 
semipermeáveis, as quais permitem o fluxo de líquido 
mas não de células. Ocorre a passagem dos nutrientes e 
produtos através da membrana. 
 Estes tipos de reatores prevêem a separação 
entre fluxos de nutrientes e produtos metabólicos, o que 
permite uma primeira operação de separação do produto 
desejado, contribuindo para o processo de purificação do 
produto. 
 Nestes reatores as tensões de cisalhamentos são 
mínimas (menores do que air-lift). Sendo assim, 
indicados para células muito sensíveis. 
Reatores em fase não-aquosa 
(semi-sólida) 
Biorreatores para Fermentação Sólida 
 
 A forma empregada em praticamente todos os estudos diz respeito 
ao processo em batelada no qual o meio é adicionado ao reator, ocorrendo a 
inoculação do substrato e a incubação do mesmo por um determinado 
período de tempo. 
 A seguir, o produto obtido pode ser extraído por suspensão do meio 
com água, soluções-tampão ou solventes (como no caso de enzimas, ácidos, 
álcool, etc.) ou simplesmente secado e armazenado (produção de 
bioinseticidas ou proteína microbiana). 
 
 Outros modos de condução do processo são citados, tais como: 
 
Fermentação semicontínua na obtenção de ácido cítrico; 
 Fermentação por batelada alimentada na obtenção de ácido giberélico; 
 Fermentação contínua para a produção de enzimas fúngicas. 
Biorreatores 
 
Reatores de vidro: utilizados em pesquisas laboratoriais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Reatores de vidro: frasco de Fernbach, garrafa de cultura, tubular vertical, 
erlenmeyer de 250 mL e de 2800 mL. 
 
 Os frascos de Fernbach e as garrafas de cultura são muito utilizados, 
inclusive a nível industrial na produção de esporos, devido a ampla área 
superficial entre o substrato e a atmosfera. 
Biorreatores 
 
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. 
Bandejas: com meio de cultura e 
vazia com fundo perfurado. 
Biorreatores 
 
Tanques circulares: consiste de dois tanques rotatórios de 7 m de diâmetro, com 
um agitador helicoidal, dentro de uma câmara de condições controladas. Podem 
ser processados, a cada batelada, cerca de 2 a 3 toneladas de meio de cultura, 
com alimentação, esterilização, inoculação e retirada do produto realizados 
automaticamente (Toyama, N., 1976). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Esteira rolante: este sistema é uma variante do fermentador de bandejas. As 
etapas de inoculação e incubação do material são realizadas em longas esteiras 
de fundo perfurado por onde circula o ar úmido. 
Biorreatores 
 
Tubular horizontal (Tambor rotativo): o substrato é esterilizado e resfriado 
diretamente no tambor. A rotação do reator pode variar de 1 até 180 rpm. A 
agitação do substrato pode ser realizada pela simples rotação do reator ou 
por agitador central contendo número variável de pás (denominado 
fermentador tubular com agitação interna). 
Biorreatores 
 
Tambor rotativo 
Biorreatores 
 
Tubular vertical (fermentador tipo coluna): muito utilizado em pesquisas. 
Podem ser construídos de vidro ou aço inox, com dimensões de 2 a 40 cm de 
diâmetro por 20 a 180 cm de altura, permitindo uma capacidade entre 8 a 10 
kg por batelada. 
 Classificação geral dos biorreatores 
 
Classificação mista, mais abrangente que as anteriores. 
90% do 
biorreatores 
utilizados 
industrialmente