Aula 3 Biorreatores

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Biorreatores
Disciplina: Engenharia Bioquímica
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Biorreatores
Reatores nos quais ocorre uma série de reações catalisadas por biocatalisadores
Enzimas
Células 
Biorreatores enzimáticos
Fermentadores
MO, células animais ou vegetais
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Tipos de biorreatores
	Diferem com relação ao fenômenos de transporte que ocorrem no reator (calor, massa e quantidade de movimento), de acordo com o tipo de cultivo;
Cultivos unicelulares
Fungos filamentosos
Organismos recombinantes
Bactérias e leveduras
Bolores
Células animais e vegetais
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Classificação dos biorreatores
Existem várias formas possíveis de classificar os biorretores:
Quanto ao tipo de catalisador (células ou enzimas)
Quanto à configuração do biocatalisador (células/enzimas livres ou imobilizadas)
Quanto à forma de se agitar o líquido no reator
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Classificação geral dos biorreatores
Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
	Células/enzimas livres
	- Reatores agitados mecanicamente (STR – stirred 	tank reactor)
	- Reatores agitados pneumaticamente
		Coluna de bolhas (bubble column)
		Reatores air-lift
	- Reatores de fluxo pistonado (plug-flow)
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Classificação geral dos biorreatores
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Classificação geral dos biorreatores
Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
	Células/enzimas imobilizadas em suportes
	- Reatores com leito fixo
	- Reatores com leito fluidizado
		
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Classificação geral dos biorreatores
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Classificação geral dos biorreatores
Reatores em fase aquosa (fermentação submersa)
	Células/enzimas confinadas entre membranas
	- Reatores com membranas planas
	- Reatores com fibra oca (hollow-fiber)
		
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Classificação geral dos biorreatores
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Classificação geral dos biorreatores
(II) Reatores em fase não-aquosa (fermentação semi-sólida)
	
	- Reatores estáticos (reatores de bandejas)
	- Reatores com agitação (tambor rotativo)
	- Reatores com leito fixo
	- Reatores com leito fluidizado gás-sólido		
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Reatores agitados - STR
	São os mais empregados, conhecidos também como reatores de mistura, constituindo cerca de 90% do total de reatores utilizados industrialmente; 
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Reatores agitados - STR
	Agitação mecânica favorece a homogeneização, suspensão de sólidos, dispersão gás-líquido, aeração e transferência de calor e massa; 
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Reatores agitados - STR
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Reatores agitados - STR
Agitadores ou impelidores
	Geralmente são colocados em volta do eixo central rotatório e distribuídos ao centro e fundo do tanque;
	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.
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Reatores agitados - STR
Tipos de agitadores ou impelidores
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Reatores agitados pneumaticamente 
Pense nos aquários!!!!
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Reatores agitados pneumaticamente 
Biorreatores air lift - Promove movimentação cíclica do fluido
A presença do tubo difusor permite:
Aumentar a mistura axial no reator;
Reduzir a coalescência das bolhas que circulam na mesma direção do líquido;
Equalizar as forças de cisalhamento; 
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Reatores agitados pneumaticamente 
Biorreatores air lift 
Regiões do Tubo Difusor
Riser – região onde as bolhas de gás são liberadas. Pode ser dentro ou fora do tubo central.
	A ascensão das bolhas causa o fluxo de líquido na direção vertical. Para contrabalançar, o líquido flui em direção descendente no downcomer;
	Isto permite a circulação do líquido e aumenta a eficiência de mistura quando comparado
a coluna de bolhas.
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Reatores agitados pneumaticamente 
Biorreatores air lift 
• Adiciona volume ao reator;
• Reduz a espuma;
• Minimiza a circulação de bolhas pelo downcomer devido ao alargamento do topo do reator que diminui a velocidade da bolha e a libera do fluxo do líquido. Assim previne-se a entrada de bolhas ricas em CO2 no downcomer;
• Redução da perda de meio devido a formação de aerossol
Zona de alívio
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Reatores agitados pneumaticamente 
Biorreatores air lift 
	Os reatores air lift são utilizados com fluidos menos viscosos e quando há necessidade de agitação mais suave e transferência de oxigênio a baixo custo;
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Reatores agitados pneumaticamente 
Biorreatores de coluna de bolhas
	Ausência de agitação mecânica;
	Menores tensões de cisalhamento;
Aplicação:
	Células animais e vegetais
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Desvantagens dos biorreatores agitados mecanicamente em relação aos air lift
- Maior consumo de energia;
- Maior nível de espuma; 
- Nem sempre é compatível com alguns tipos de células (animais e vegetais); 
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Reatores de fluxo pistonado (plug flow)
- Meio e inóculo são misturados a partir da base do reator e a cultura flui, idealmente, em velocidade constante, sem ocorrer mistura longitudinal.
	O fluxo é contínuo e o tempo dentro do reator é curto, por isso é utilizado para reações rápidas.
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Reatores de fluxo pistonado (plug flow)
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Células imobilizadas em suportes
Principal característica:
Estrutura física de confinamento que obriga as células a permanecerem em uma região particular de um biorreator;
Sem necessidade de células vivas
Com necessidade de células vivas
Enzima/Sistema enzimático envolvido na conversão bioquímica ativa (1 ou algumas, sem coenzimas e vias anabólicas presentes na replicação celular)
Produtos a serem formados requerem múltiplos passos de transformações, regeneração de coenzimas, presença de cadeia respiratória, vias metabólicas geradoras de intermediários e outros inerentes às células vivas
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Células imobilizadas em suportes
Vantagem do uso de células imobilizadas:
Possibilidade de utilização de altas concentrações celulares no volume reacional, implicando em maiores velocidades de processamento;
Operação de sistemas contínuos com velocidade de alimentação acima da velocidade específica máxima de crescimento da célula (não imobilizada);
Eliminação de problemas com reciclo externo de células (sedimentadores, filtros, centrífugas);
Provável obtenção de maiores fatores de conversão de substrato ao produto desejado;
Possibilidade de utilização de projetos de biorreatores mais adequados à cinética dos sistema biológico utilizado;
Maior proteção ao sistema biológico em relação ao estresse ambiental, ocasionado por elevadas concentrações de substratos, pH e cisalhamento.
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Células imobilizadas em suportes
Características de um suporte:
a) Não ser tóxico para as células; 
b) Ter alta capacidade de retenção;
c) Ser resistente ao ataque químico e microbiano;
d) Ter pouca sensibilidade às possíveis solicitações 
mecânicas (compressão por peso, tensões de cisalhamento 
ou pressões internas ou externas de gases);
e) Alta difusividade de substratos e de produtos.
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Células imobilizadas em suportes
Suporte normalmente utilizados:
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Reatores com células imobilizadas em suportes
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Reatores com células imobilizadas em suportes
Aplicações:
-Tratamento de resíduos (suportes sólidos – filtros biológicos)
-Produção de enzimas (suportes gelatinosos)
-Biotransformação de esteroides
- Produção tradicional de vinagre
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Reatores com células imobilizadas em suportes
Reatores com leito fixo produção de vinagre
Mistura de solução de álcool acidificado com ácido acético e nutrientes para o crescimento de bactérias produtoras do ácido acético e inóculo de espécies de Acetobacter 25-30°C. É necessário sistema de controle de temperatura e o vinagre é produzido em 10 dias por este método.
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Reatores com células imobilizadas em suportes
Reatores com leito fixo 
Vantagens: 
-Fácil recuperação do produto
Desvantagens:
-Deficiência na transferência de O2 e nutrientes;
-Entupimento (crescimento das células) e alterações de fluxo (caminhos preferenciais);
-Homogeneização
prejudicada;
-Com o tempo há perda por lavagem de células aderidas ou aprisionadas
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Reatores com células imobilizadas em suportes
Reatores com leito fluidizado
	As células são imobilizadas em pequenas partículas que ficam em suspensão e se movem com o líquido. Podem ser definidos como grandes tubos ocos (colunas verticais) onde partículas contendo células ou enzimas imobilizadas ficam em suspensão.
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Reatores com células imobilizadas em suportes
Reatores com leito fluidizado
	Mecanismos para se obter o leito fluidizado:
a) Introdução na base da coluna de ar atmosférico ou gás inerte (N2 ou CO2);
b) Reciclo parcial do efluente da coluna;
c) Movimentação interna do fluido promovida por agitação 
mecânica.
Eventualmente: próprio gás carbônico formado durante o processo
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Reatores com células imobilizadas em suportes
Reatores com leito fluidizado
Vantagens
- Alta taxa de transferência e homogeneização;
-Baixo atrito;
-Fácil recuperação do produto (não precisa separar as células)
-Não há problemas de entupimento como leito fixo
-Boa produtividade volumétrica (maior que leito fixo e tanques agitados)