Equipamentos para Industria de Bioprocessos2

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Equipamentos para Indústria de Equipamentos para Indústria de 
BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
1) Aspectos Gerais
TIPOS DE EQUIPAMENTOS
9EQUIPAMENTO PRINCIPAL
9EQUIPAMENTO ACESSÓRIO
9EQUIPAMENTO AUXILIAR
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Escola de Química/UFRJ
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
ETAPAS FUNDAMENTAIS DE UM BIOPROCESSO TÍPICO
1) Aspectos Gerais
ETAPAS FUNDAMENTAIS DE UM BIOPROCESSO TÍPICO
TRATAMENTO DA MATÉRIA PRIMA
PREPARO DE MEIO; ESTERILIZAÇÃOPREPARO DE MEIO; ESTERILIZAÇÃO
“UPSTREAM PROCESSES”
Fenômenos
MEIO DE CULTIVO
Fenômenos 
químicos
Fenômenos 
fí i
Agente biológico: células 
b 
CONDIÇÕES AMBIENTAIS
Fenômenos
biológicos
físicos microbianas, animais ou vegetais 
ou enzimas
Ç biológicos
SEPARAÇÃO DE CÉLULAS;
SEPARAÇÃO/PURIFICAÇÃO DE PRODUTO
“DOWNSTREAM PROCESSES”
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1) Aspectos Gerais
EQUIPAMENTO PRINCIPAL: é o equipamento onde 
ocorre a biorreação; está diretamente relacionado àocorre a biorreação; está diretamente relacionado à 
presença do agente biológico.
9Biorreatores: visa à obtenção de produto; 
9P d i à bt ã d i ó l9Propagadores: visa à obtenção de inóculo; 
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1) Aspectos Gerais
EQUIPAMENTOS ACESSÓRIOS: São equipamentos 
ligados diretamente ao Biorreatorligados diretamente ao Biorreator
9Compressor de ar (adição O2)
9 Esterilizador de ar e mosto (filtros de ar, trocador de calor).
9Agitador9Agitador
9Sistemas adição anti-espumante, controles de pH e temperatura. 
9Sensores em geral: vazão, biomassa, etanol etc.
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1) Aspectos Gerais
EQUIPAMENTOS AUXILIARES: São equipamentos não ligados 
diretamente ao Biorreator. Estão relacionados às operações down ediretamente ao Biorreator. Estão relacionados às operações down e 
upstream.
9Filtros‐prensa
9Centrífugas
9Torres de Destilação
9Cristalizadores9Cristalizadores
9Bombas para escoamento de líquidos
9Secadores
9Extratores
9Moendas
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
O QUE SÃO BIORREATORES?
São vasos reacionais onde os substratos contidos nas
matérias‐primas são biologicamente convertidos a produtos
específicos pela ação de enzimas ou células vivas
(microbianas animais ou vegetais)(microbianas, animais ou vegetais).
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
BIORREATORES ENZIMÁTICOS  E BIORREATORES COM CÉLULAS VIVAS 
9 Biorreatores enzimáticos
9 Biorreatores
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
O QUE SÃO PROPAGADORES?
Assim como os biorreatores, são vasos reacionais onde os
substratos contidos nas matérias primas são direcionadossubstratos contidos nas matérias‐primas são direcionados
para a obtenção de biomassa microbiana, que será
empregada como inóculo. Normalmente, em processos
industriais, o volume do propagador é cerca de 10% do
volume do biorreator.
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
ESCALA DE PRODUÇÃO
ESCALA ORDEM DE GRANDEZA DO 
BIOREATOR
BANCADA 1 A 103 L
INTERMEDIÁRIA OU PILOTO 103 – 104 L
INDUSTRIAL >104 L
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
BIOPROCESSO TAMANHO DO BIOREATOR
ESCALA DE PRODUÇÃO
BIOPROCESSO TAMANHO DO BIOREATOR
(m 3)
Antibióticos; ácidos orgânicos e 50 a 1000
levedura de panificação
Cerveja 2000
Tratamento de efluentes; Álcool 20000
Biofármacos e novas
bi lé l ( bi t
Algumas centenas de litros 
( á )biomoléculas (recombinantes,
células animais ou vegetais)
(máx)
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
ASPECTOS BIOLÓGICOS IMPORTANTES
9 As taxas reacionais dependem das condições ambientais no biorreator
9 A massa celular via de regra aumenta com o progresso da conversão 
bioquímicabioquímica
9 As concentrações de solutos são usualmente baixas
9 Algumas células, como as animais e as de microrganismos filamentosos são 
sensíveis às tensões cisalhantes
9 Substrato(s) e/ou produto(s) podem provocar inibição
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
ASPECTOS BIOLÓGICOS IMPORTANTES
9 Em contraste às enzimas isoladas ou aos catalisadores químicos, 
microrganismos podem se adaptar às condições de processo podendo alterarmicrorganismos podem se adaptar às condições de processo, podendo alterar 
seletividade e produtividade
9 Mi i d t b li b t t ã i i ( t i l9 Microrganismos podem metabolizar substratos não convencionais (material 
polimérico ou oleoso), em meios de alta viscosidade (reologia não 
newtoniana)
9 Podem ocorrer mutações em condições sub‐ótimas
9 As reações biológicas ocorrem em sistemas trifásicos
9 Efeitos como adesão floculação e autólise podem ocorrer
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9 Efeitos como adesão, floculação e autólise podem ocorrer
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
É Ã
2) Biorreatores – Aspectos Gerais
CRITÉRIO CONSIDERAÇÕES
Á
CRITÉRIOS PARA A SELEÇÃO E PROJETO DE BIORREATORES
Reator e operação 9Área de aplicação (pesquisa ou produção industrial)
9Valor agregado do produto
9Modo de operação(batelada, batelada alimentada ou contínuo)
9Processo de separação de células9Processo de separação de células
9Cinética de formação de produto
Cultura e meio de
cultivo
9Demanda de oxigênio (aeróbico, microaeróbico ou anaeróbico)
9Estado fisiológico (célula viável, em crescimento , resting cells)cultivo Estado fisiológico (célula viável, em crescimento , resting cells)
9Morfologia (unicelular, filamentosa, floculante, biofilme)
9Exigência quanto à esterilidade
Propriedades 9Físico-química (gasosa, líquida, sólida ou multifásica)p q (g , q , )
9Biológica (inibição, estresse mecânico)
9Reológica (alta ou baixa viscosidade)
9Aeração (coalescência)
9Formação de espuma (agentes anti espumantes)
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9Formação de espuma (agentes anti-espumantes)
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
TIPOS DE CÉLULA E ESTADOS MORFOLÓGICOS
CÉLULAS ANIMAISMOS FILAMENTOSOS
AGREGADOS MICROBIANOS
MOS UNICELULARES
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É
2) Biorreatores – Aspectos Gerais
Propriedade Microrganismos Células vegetais Células animais
PROPRIEDADES DE CÉLULAS MICROBIANAS, VEGETAIS  E ANIMAIS
Tamanho (μm) 2 - 10 10 -200 5 - 100
Cultivo Usualmente 
unicelulares
Agregados de até 2 
mm
Frequentemente 
aderem emunicelulares mm aderem em 
superfícies
Tempo de 
duplicação
1 – 3 horas 2 – 5 dias 12 – 20 dias
p ç
Sensibilidade ao 
cisalhamento
Baixa Sensíveis a 
tolerantes
Alta
Demanda de Alta Baixa BaixaDemanda de 
oxigênio
Alta Baixa Baixa
Complexidade do 
meio de cultura
Baixa Moderada Muito alta
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meio de cultura
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2) Biorreatores – Aspectos Gerais
PARÂMETROS DE OPERAÇÃO TÍPICOS DE BIORREATORES
Parâmetro Fungos 
filamentosos
Bactérias e 
leveduras
Viscosidade do meio (Pa.s) 0,1 – 1,5 < 0,1
Taxa de consumo de oxigênio 
(10-3 Kgm-3s-1)
0,1 – 1,0 0,2 – 2,0
Coeficiente volumétrico de transferência de O2, 0,01 12,
KLa (s-1)
,
Geração de calor metabólico (KW.m-3) 2 - 20 2 - 20
C fi i t l b l d t f ê i d l (W 200 1500 200 1500Coeficiente global de transferência de calor (W.m-
2.Kg-1)
200 - 1500 200 - 1500
Suprimento de energia (KW.m-3) 1 - 15 < 5
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2.1) Construção de Biorreatores
REQUERIMENTOS PARA A CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE BIORREATORES
9 Passível de ser esterilizado
9 Geometria simples
9 Número mínimo de flanges e soldas
9 Não ter zonas mortas
9 Material de baixa rugosidade
9 Suportar pressão e temperaturaSuportar pressão e temperatura
9 Suportar carga (espessura de chapa compatível com o volume a ser processado)
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2.1) Construção de Biorreatores
REQUERIMENTOS PARA A CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE BIORREATORES
9 Deve apresentar ótimas condições de mistura (cisalhamento baixo e 
uniforme) e apresentar mistura homogênea
9 C di õ d fl l t d fi id li t ã d b t t9 Condições de fluxo claramente definidas, com alimentação de substrato 
compatível com as taxas de metabolização (se for o caso)
9 Deve favorecer as taxas de transferência de massa e calorDeve favorecer as taxas de transferência de massa e calor
9 Sistemas de monitoramento e controle
99 Versatilidade (compatível com vários processos)
9 Fácil escalonamento
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2.1) Construção de Biorreatores
9S ld V d õ
DETALHES NA CONSTRUÇÃO DE BIORREATORES
9Soldas e Vedações.
9Chicanas ou quebra vórtice.
9Camisas e Serpentinas
9Agitadores (sistemas de palhetas e vedação do eixo dos agitadores)9Agitadores (sistemas de palhetas e vedação do eixo dos agitadores)
9Aeradores
9Relações geométricas 
H/T = 2 a 5 H‐ altura fermentadorH/T = 2 a 5                               H‐ altura fermentador
h/D = 1 a 1,2                            h‐ distância entre palhetas
B/D = 0,08 a 0,1                       D‐ diâmetro da palheta
D/T = 0,33 B‐ largura da chicanaD/T   0,33                                B largura da chicana
T‐ diâmetro do fermentador
9 Válvulas 
9 Sistema de inoculação (esporos ou células vegetativas).
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ç ( p g )
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2.1) Construção de Biorreatores
9S ld V d õ
DETALHES NA CONSTRUÇÃO DE BIORREATORES
9Soldas e Vedações.
9Chicanas ou quebra vórtice.
9Camisas e Serpentinas
9Agitadores9Agitadores
9Aeradores
9Relações geométricas 
H/T = 2 a 5 H‐ altura fermentadorH/T = 2 a 5                               H‐ altura fermentador
h/D = 1 a 1,2                            h‐ distância entre palhetas
B/D = 0,08 a 0,1                       D‐ diâmetro da palheta
D/T = 0,33 B‐ largura da chicanaD/T   0,33                                B largura da chicana
T‐ diâmetro do fermentador
9 Válvulas 
9 Sistema de inoculação (esporos ou células vegetativas).
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ç ( p g )
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.1) Construção de Biorreatores
9S ld V d õ
DETALHES NA CONSTRUÇÃO DE BIORREATORES
9Soldas e Vedações.
9Chicanas ou quebra vórtice.
9Camisas e Serpentinas
9Agitadores (sistemas de palhetas e vedação do eixo dos agitadores)9Agitadores (sistemas de palhetas e vedação do eixo dos agitadores)
9Aeradores
9Relações geométricas 
H/T = 2 a 5 H‐ altura fermentadorH/T = 2 a 5                               H‐ altura fermentador
h/D = 1 a 1,2                            h‐ distância entre palhetas
B/D = 0,08 a 0,1                       D‐ diâmetro da palheta
D/T = 0,33 B‐ largura da chicanaD/T   0,33                                B largura da chicana
T‐ diâmetro do fermentador
9 Válvulas 
9 Sistema de inoculação (esporos ou células vegetativas).
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ç ( p g )
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.1) Construção de Biorreatores
9S ld V d õ
DETALHES NA CONSTRUÇÃO DE BIORREATORES
9Soldas e Vedações.
9Chicanas ou quebra vórtice.
9Camisas e Serpentinas
9Agitadores (sistemas de palhetas e vedação do eixo dos agitadores)9Agitadores (sistemas de palhetas e vedação do eixo dos agitadores)
9Aeradores
9Relações geométricas 
H/T = 2 a 5 H‐ altura fermentadorH/T = 2 a 5                   H‐ altura fermentador
h/D = 1 a 1,2                h‐ distância entre palhetas
B/D = 0,08 a 0,1           D‐ diâmetro da palheta
D/T = 0,33 B‐ largura da chicanaD/T   0,33                    B largura da chicana
T‐ diâmetro do fermentador
9 Válvulas 
9 Sistema de inoculação (esporos ou células vegetativas).
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ç ( p g )
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2.1) Construção de Biorreatores
ASPECTOS OBSERVADOS NA CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE BIORREATORES
9U i l fí i i li lid9Usar material superfície interna lisa e polida.
9 Usar construções soldadas e não flangeadas ou rosqueadas.
9Minimizar o número de conexões.
9 Usar válvulas de fácil manutenção, reparo e limpeza.
9 Reator deve se manter estéril por muitos dias e satisfazer as Legislações ambientais.
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2.1) Construção de Biorreatores
ASPECTOS OBSERVADOS NA CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE BIORREATORES
9 Ter eficientes controles de temperatura pH e sistema de tomada de amostra (quando9 Ter eficientes controles de temperatura, pH e sistema de tomada de amostra (quando 
necessário a prova de contaminação).
9 Satisfazer condições aeração e agitação.
9 Ter eficiente sistema de controle de gases de saída do fermentador.
9Manter geometria similar a dos reatores maiores ou menores, facilitando aampliação g , p ç
de escala.
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2.1) Construção de Biorreatores
MATERIAIS PARA A CONSTRUÇÃO DE BIORREATORES
REQUISITOS BÁSICOS
9 B i t9 Baixo custo
9 Resistência mecânica
9 Resistência térmica
9 Resistência à corrosão
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2.1) Construção de Biorreatores
MATERIAIS PARA A CONSTRUÇÃO DE BIORREATORES
Alguns materiais de uso corrente
9 A b9 Aço carbono
9 Aços inoxidáveis (AISI 304, 314‐L – aços com Cr e Ni, 316, 316‐L – aços com Cr, Ni e 
Mo)
9 Aço carbono re estido9 Aço carbono revestido
9 Cobre
9 Ligas de Níquel‐Cobre
9 á9 Plásticos e resinas
9 Vidro
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2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
1- Quanto ao tipo de mistura
2- Quanto ao tipo de biocatalisador
3 Quanto à configuração3- Quanto à configuração
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2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
1- Quanto ao tipo de mistura1 Quanto ao tipo de mistura
9 Biorreatores agitados mecanicamente 
- STR
- H/T = 2 - 3
- Agitação mecânicag ç
- Vantagens x Desvantagens
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2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
1- Quanto ao tipo de mistura
9 Biorreatores agitados hidraulicamente 
(com recirculação de meio)
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
1 Q t ti d i t1- Quanto ao tipo de mistura
9 Biorreatores agitados pneumaticamente 
(através de ar comprimido) ( p )
- Coluna de bolhas
- Reator do tipo “air-lift”
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2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
1 Q t ti d i t1- Quanto ao tipo de mistura
9 Biorreatores de fluxo pistonado (“plug flow”)
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2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
2- Quanto ao tipo e forma do biocatalisadorp
9 Biorreatores com células livres em culturas submersas
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2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
2- Quanto ao tipo e forma do biocatalisadorp
9 Biorreatores enzimáticos 
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
2- Quanto ao tipo e forma do biocatalisador
9 Biorreatores com células ou enzimas imobilizadas
9REATORES DE LEITO FIXO 
(horizontal, vertical, fluxo parado)
9REATORES DE LEITO FLUIDIZADO
(por reciclo, por gás ou por agitação)
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
2- Quanto ao tipo e forma do biocatalisador
9 Bi t él l i i bili d9 Biorreatores com células ou enzimas imobilizadas
9REATORES DE LEITO FIXO
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
2- Quanto ao tipo e forma do biocatalisador
9 Bi t él l i i bili d9 Biorreatores com células ou enzimas imobilizadas
9 REATORES DE LEITO FLUIDIZADO
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
2- Quanto ao tipo e forma do biocatalisador
9 Bi t b l fib9 Biorreatores com membranas planas ou com fibras ocas 
(“hollow fiber”)
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2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
3- Quanto à configuração
9 Bi t ti t (H/T 3)9 Biorreatores tipo tanque (H/T < 3)
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.2) Classificação de Biorreatores
CLASSIFICAÇÃO DE BIORREATORES
3 Q t à fi ã3- Quanto à configuração
9 Biorreatores tipo coluna (H/T > 3)
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Equipamentos para Indústria de Equipamentos para Indústria de 
BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.2) Classificação de Biorreatores
Classificação geral dos biorreatores
I.Reatores em fase aquosa (bioprocesso submerso)
I.1 Células/enzimas livres
Reatores agitados mecanicamente
Reatores agitados pneumaticamente
Coluna de bolhas (“bubble column”)
Reatores “air-lift”
Reatores de fluxo pistonado (“plug-flow”)
I.2 Células/enzimas imobilizadas em suporte
Reatores com leito fixo
Reatores com leito fluidizado
I.3 Células/enzimas confinadas entre membranas
Reatores com membranas planas
Reatores de fibra oca (“hollow-fiber”)
II. Reatores em fase não-aquosa (bioprocesso semi-sólido)
Reatores estáticos (reatores com bandeja)
Reatores com agitação (tambor rotativo)
Reatores com leito fixo
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Reatores com leito fluidizado gás-sólido
Equipamentos para Indústria de Equipamentos para Indústria de 
BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.3) Biorreatores – Exemplos
FOTOBIORREATORES
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.3) Biorreatores – Exemplos
TANQUE HORIZONTAL
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
2.3) Biorreatores – Exemplos
Reator Tubular Vertical (Tipo Torre). 
Diagramas esquemáticos de funcionamento
d i ãe de composição
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BioprocessosBioprocessosBioprocessosBioprocessos
Biorreator “air lift” 2.3) Biorreatores – Exemplos
(escala de bancada) com 
Leito Empacotado
Biorreator de fibras ocas usado no o eato de b as ocas usado o
cultivo de célulasanimais:
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2.3) Biorreatores – Exemplos
Fermentador de Bancada de 5 litros a 
20 litros esterilizável “in situ”
Parte inferior sensores O temperatura eParte inferior – sensores O2, temperatura e 
coleta amostra)
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2.3) Biorreatores – Exemplos
Fermentador Industrial para produção de antibióticos - Japão
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2.3) Biorreatores – Exemplos
Fermentador Industrial para Fermentação Alcoólica 
capacidade de 400.000 L – Usina Ester – São Paulo. 
Matéria Prima caldo de cana e tempo fermentação 6 a 8 horasMatéria Prima caldo de cana e tempo fermentação 6 a 8 horas.
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2.4) Modos de Operação de Biorreatores
9 Descontínuo (batelada)
¾ Simples
¾ C t¾ Com cortes
¾ Com reutilização de inóculo
9 D tí li t ã (b t l d li t d )9 Descontínuo com alimentação(batelada alimentada)
¾ Convencional 
¾ Cíclica¾ Cíclica 
9 Contínuo
¾ Um biorreator sem reciclo de células¾ Um biorreator sem reciclo de células
¾ Um biorreator com reciclo de células
¾ Biorreatores em série
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3) Equipamentos Acessórios
São equipamentos ligados diretamente ao Biorreator
9Compressor de ar (adição O2)
9 Esterilizador de ar e mosto (filtros de ar trocador de calor)9 Esterilizador de ar e mosto (filtros de ar, trocador de calor).
9Agitadorg
9Sistemas adição anti-espumante, controles de pH e temperatura. 
9Sensores em geral: vazão, biomassa, etanol etc.
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3) Equipamentos Acessórios
PRINCIPAIS TIPOS DE AGITADORES
9Hélice (marine impeller)
9Pá (lâmina reta, inclinada ou curva)
9Turbina 
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3) Equipamentos Acessórios
PRINCIPAIS TIPOS DE AGITADORES
9 Escoamento axial
São aqueles cujas pás fazem um ângulo menor que 90°com o plano deSão aqueles cujas pás fazem um ângulo menor que 90 com o plano de 
rotação do impulsor. 
Ex: hélices, turbinas de pás inclinadas. 
Tipo hélice ou propulsor
(“M i ll ”)(“Marine propeller”)
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3) Equipamentos Acessórios
PRINCIPAIS TIPOS DE AGITADORES
9 E t di l9 Escoamento radial.
Tem suas pás paralelas ao eixo de rotação. Este fluxo é perpendicular 
a parede do tanque. p q
Ex: turbina, pás, âncora, grade.
Disco com pás planasp p
(“flat-blade turbine”)
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3) Equipamentos Acessórios
TIPO DE AERADORES
9 Único orifício9 Único orifício
9 Multiorifícios
9 Sinterizado 
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4) Equipamentos Auxiliares
São equipamentos não ligados diretamente ao Biorreator. 
Estão relacionados às operações down e upstream
9Filtros‐prensa
99Centrífugas
9Torres de Destilação
9Cristalizadores9Cristalizadores
9Bombas para escoamento de líquidos
9Secadores
9Extratores
9Moendas
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