Aula 5 Biorreatores OK

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M E L I S S A L I M O E I R O E S T R A D A G U T A R R A 
Equipamentos para industria de 
bioprocessos 
Esquema da apresentação: 
 
1. Equipamentos: Biorreatores, acessórios e 
equipamentos auxiliares 
2. Classificação de Biorreatores 
3. Tipos de processos e biorreatores 
 a) Fermentação submersa 
 b) Fermentação no estado sólido 
Biorreatores – equipamento usado para conferir as 
condições adequada para o crescimento e geração do 
produto máximo. 
 
Aspectos importantes: 
 
• Concentração de biomassa adequada 
• Manutenção da esterilidade 
• Eficiência de agitação mantendo uma boa distribuição 
de substratos e micro-organismos no reator. 
• Suprimento adequado de oxigênio 
• Remoção do calor 
• Controle da temperatura, pH 
Biorreator e seus acessórios 
Quais são as etapas 
de um bioprocesso e 
seus equipamentos? 
Equipamentos utilizados em bioprocessos: 
 
1) Biorreator 
 
2) Equipamentos acessórios 
 
Equipamentos ligados ao biorreator 
 
 - Equipamento para esterilização do biorreator, meio 
de cultivo e ar 
 - Equipamentos para agitação – agitadores e 
motores 
 - Equipamentos para aeração – compressores de ar 
e aeradores 
3) Equipamentos auxiliares 
 
Equipamentos que não estão diretamente envolvidos com 
o processo de fermentação. 
 
Relacionados com o preparo do inóculo ou da matéria- 
prima 
 
relacionados com a recuperação e purificação do produto 
 
filtros-prensa, centrifugas, evaporadores, 
destiladores, sistema de micro- e ultra-
filtração entre outros 
Biorreatores 
 
Sua escolha irá depender das características do 
processo e do micro-organismo. 
 
Os biorreatores podem ser classificados quanto: 
 
1)Tipo de catalisador 
2) Tipo de agitação 
3) Tipo de configuração do catalisador 
4) Tipo de fase (aquosa ou não-aquosa) 
 
 
1) Tipo de biocatalisador: 
 
Enzimas – processos que requerem poucas reações. 
Ex. produção de xarope 
 
Células vivas – microbianas, vegetais e animais 
Produção de 
princípios ativos de 
medicamentos. 
Produção de grande 
diversidade de produtos. 
Ex. enzimas, ácidos 
orgânicos, vitaminas, 
biomassa, antibióticos, 
tratamento de efluentes 
Produção de 
anticorpos, 
hormônios e fatores 
de crescimento 
2) Tipo de agitação 
 
 Mecânica – tanques agitados 
Constituem cerca de 90% do total de reatores utilizados 
industrialmente – reatores convencionais. 
 
São reatores cilíndricos sendo comuns as relações 
altura:diâmetro de 2:1 e 3:1, podendo chegar até 6:1. 
 
Normalmente são equipados de chicanas que impedem 
que seja formado vortex. 
 
O motor pode ser instalado na parte superior ou inferior do 
reator 
 
Tanque agitado 
O agitador é montado em 
um eixo central, possuindo 
ao longo de sua altura 
varias turbinas. 
 
Mais comum – turbina de 
pás planas 
 Auxiliam na homogeneização do meio 
 
 Auxiliam da transferencia de oxigênio 
 
Influenciam na tensão de cisalhamento 
O turbilhonamento pode ser: axial e/ou radial 
 
Tipo propeller : escoamento axial 
 
Tipo lâmina : escoamneto radial se as laminas forem 
verticais e axial para lâminas inclinadas 
 
 
 
 
Cisalhamento 
 
Ɣ = kN 
Ʈ = µ Ɣ 
 
Ɣ = taxa de deformação 
N = Velocidade rotacional do agitador 
K = Contante do tipo de agitador (turbina com 6 pas 
=15) 
Ʈ = Tensão de cisalhamento média 
µ = viscosidade do meio de cultivo 
 
 
 
Capacidade: depende da aplicação 
 
Exemplos: 
 
100L a 2m3 – quando se emprega microrganismos 
patogênicos ou células animais e vegetais. 
 
10 a 200m3 – produtos como enzimas, antibióticos e 
vitaminas 
 
1000m3 – produtos onde se exigem poucos cuidados 
com assepsia como produção de etanol e em tratamento 
de efluentes. 
 
Tanques agitados 
Produção de etanol: 
fermentadores de 9.000 L 
Indústria 
farmacêutica 
Pneumática – air lift e coluna de bolhas 
 
Caracterizam-se pela ausência de agitador mecânico 
onde a agitação do liquido é feito pelo borbulhamento de 
gás. 
 
Apresentam menor tensão de cisalhamento – ideal para 
cultivo de células animais e vegetais 
 
Tipos: 
 
 Coluna de bolhas – movimento aleatório do liquido no 
reator 
 Air lift – movimentação cíclica do fluido, definida através 
de dispositivos e arranjos internos 
Reator do tipo “air-lift” 
• O ar injetado para prover o organismo com oxigênio é também o 
responsável pela homogeneização do meio líquido: 
Fluxo pistonado 
 
O meio de cultivo e o inóculo são misturados na entrada 
do reator onde a cultura flui com velocidade constante. 
 
Ocorre uma variação de da concentração de nutrientes e 
células ao longo do comprimento do reator. 
meio 
inóculo 
3) Tipos de configuração do biocatalisador 
 
O biocatalisador pode ser encontrar na forma livre 
(convencional), na forma imobilizadas em suportes ou na 
forma confinada entre membranas 
 
3.1) Reatores com células imobilizadas em suportes 
Exemplos de suportes: alginatos, silica, vidro 
Permite a manutenção de elevadas concentrações 
celulares 
 
Leito fixo – movimentação quase que inexistente do 
suporte 
 
Leito fluidizado - movimentação intensa do suporte 
sendo esta provocada pelo fluxo de ar, gás inerte ou 
recirculação de liquido 
Leito fluidizado Leito fixo 
3.2) Reatores confinados entre membranas 
 
Apresenta células confinadas entre membranas 
 
Utiliza membranas de microfiltraçao – permite o fluxo de 
liquido mas não a passagem das células 
 
Permite a separaçao do fluxo de nutrientes e de produtos 
– facilita nos processos de recuperaçao de purificaçao. 
 
Tensões de cisalhamento inferiores a observada em 
reatores air lift. 
 
Pode-se também obter altas concentrações celulares 
 
Membranas planas 
 
Fibras ocas – o meio de cultura circula no interior das 
membranas permanecendo as células entre as fibras. 
 
 
 
4) Tipos de fase 
 
 Fase aquosa – fermentação submersa (em 
profundidade) ou fermentação em superfície 
(processo utilizado antigamente para produção de 
ácido cítrico) 
 
Fermentação submersa – grande maioria dos processos 
industriais – inclui os reatores mostrados anteriormente 
 
 Fase não-aquosa - fermentação no estado sólido 
Fermentação submersa (FS) 
 
 
Características 
- meio de cultivo líquido contendo nutrientes solúveis 
- inóculo: esporos ou células propagados em frascos 
agitados e pré-fermentadores 
 
 Aplicações 
- antibióticos 
- enzimas 
- levedura de panificação 
- cerveja 
- ácidos orgânicos 
- etanol 
 
 Biorreatores 
 
- Geralmente agitado - diferentes tipos de agitação 
 
- Aerados e não aerados (produção de etanol, ácido 
lático) 
Apresenta uma fase liquida contínua e uma fase gasosa 
acesso ao oxigênio se dá pela fase liquida 
Gargalo do escalonamento – solubilidade do oxigênio 
na fase liquida 
 
-Homogeneidade - Calor, nutrientes, produtos e O2 
uniformemente distribuídos 
Permite maior medida e controle dos parâmetros – pH, 
temperatura . 
 
 
 
• Biorreatores convencionais 
– tanques agitados 
• Biorreatores não-convencionais 
– air-lift ou coluna de bolhas, biorreatores com 
células imobilizadas e de membranas 
Biorreatores para fermentação 
no estado sólido 
Classificação e tipos de biorreatores: 
 
1) Sem aeração forçada e não agitado 
-Biorreator do tipo bandeja 
2) Com aeração forçada e não agitado 
-Biorreator de leito fixo 
3) Sem aeração forçada e agitado 
- Tambor rotatório e tambor agitado 
4) Com aeração forçada 
(A) agitado continuamente 
- Biorreator de leito agitado 
- Biorreator de leito fluidizado 
(B) agitado intermitentemente 
- Biorreator de leito agitado 
Biorreator do tipo bandeja 
# É o tipo de biorreator 
para FES mais antigo. 
# bandejas contendo uma 
camada fina de meio (até 
15 cm de profundidade) 
são colocadas em grandes 
câmaras, nas quais ar 
úmido é circulado e a 
umidade é controlada. 
# As bandejas podem ser 
feitas de madeira, plástico 
ou metal. 
Reatores do tipo bandeja 
 
Produção de 
Koji 
Produção 
de enzimas 
Biorreatores de leito fixo 
 
 
 
 
 
# Consistem de uma coluna 
cilíndrica ou retangular orientada 
verticalmente. 
# são caracterizados pela 
presença de um suporte estático 
poroso para o substrato, por onde 
aeração forçada é aplicada. 
# Geralmente injeta-se ar úmido 
para evitar perda de água do 
meio de cultivo. 
 
Biorreatores de leito fixo - Zymotis 
# Possui placas verticais no 
interior do leito nas quais 
água de resfriamento é 
circulada, promovendo a 
transferência de calor por 
condução. 
# Variáveis adicionais: 
espaço entre as placas e a 
temperatura da água de 
resfriamento. 
Biorreator de leito agitado 
 
 
 
 
# Emprega aeração forçada. 
# Utiliza agitação contínua ou 
intermitente. 
# promove maior homogeneidade do 
meio e maior remoção do calor 
gerado por convecção. 
# permite o controle da umidade 
através da adição de água no sistema 
- permite remoção calor por 
evaporação (ar seco). 
# A agitação pode apresentar efeitos 
deletérios aos microrganismos. 
Biorreator comercial 
 
Leito agitado 
 
Biorreator de leito fluidizado 
# Operar com aeração forçada com um 
fluxo de ar suficientemente alto para 
fluidizar o leito e movimentar os sólidos. 
# Geralmente possuiem um agitador 
para evitar a formação de aglomerados. 
# Remoção de calor eficiente mesmo 
em larga escala - convecção e por 
evaporação (ar seco). 
# Permite a homogeneização do leito - 
permite maior controle do processo 
(adição de água, nutrientes) durante a 
fermentação. 
 Tambor rotatório 
 
 
 
 
# são cilíndricos e podem ser 
inclinados ou horizontais. 
# Os sólidos geralmente 
ocupam cerca de 1/3 do volume 
do biorreator. 
# Geralmente a aeração não é 
forçada e o ar passa pelo 
headspace. 
# Pode ser empregada agitação 
intermitente ou contínua. 
 Tambor rotatório 
 
 
 
 
# Tambores rotatórios - agitação mais leve, obtida através 
do rolamento do meio dentro do reator. Causa menos danos 
aos microrganismos e à estrutura do meio sólido. 
# Tambores agitados – o corpo do tambor fica estático e as 
pás presentes no interior do tambor giram movendo os 
sólidos. 
# A remoção do calor se dá de forma distinta, dependendo do 
modo de operação, e ao longo da fermentação se for 
operado de forma intermitente. 
#Estes biorreatores podem apresentar problemas devido à 
aglomeração ou atrito das partículas do meio. 
Biorreatores comerciais 
 
Tambores rotatórios 
7) Aplicações da FES 
- Produtos: 
 # Alimentos orientais – molho de soja, Temph, Sake 
# produtos bioativos - alto valor agregado (micotoxinas, 
antibióticos, fatores de crescimento de plantas) 
 # enzimas - redução de custos (proteases, celulases, 
lipases) 
 # ácidos orgânicos (ácido cítrico, ácido lático) 
# biopesticidas - maior produtividade 
# aromas - maior produtividade 
- Processos: biorremediação e biodegradação de compostos; 
detoxificação de resíduos agro-industriais