Tipos de Biorreatores

Prévia do material em texto

*
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA 
 EEL / USP
 
TIPOS DE BIORREATORES 
Novembro de 2009
*
Definição
Reatores químicos nos quais ocorrem reações catalisadas por “Biocatalisadores”. 
Enzimas 
Células vivas 
Microrganismos 
Animais 
Vegetais 
*
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 
*
		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
*
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
*
		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
*
		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
*
		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.
» 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
*
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
Agitados Mecanicamente
		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 “plug-flow” o inóculo e o meio são misturados na entrada do sistema, sendo que a cultura flui com uma velocidade constante e emregime laminar (sem ocorrer mistura longitudinal, “backmix”). 
 Há portanto uma variação da concentração de nutrientes, células e produto ao longo do comprimento do reator.
*
		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 (menores do que air-lift). 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
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Membranas planas
*
		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). 
*
		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 “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/EnzimasImobilizadas
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.
*
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;
 » Propriedades reológicas (densidade e viscosidade);
 » Formação de espuma.
3. Parâmetros bioquímicos do processo
 » Taxa de transferência de oxigênio;
 » Dependência da temperatura e pH.
Classificação dos biorreatores
		Seleção de um Biorreator