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
Microrgani...
Introdução
São os biorreatores mais
conhecidos e utilizados.
São empregados desde a
década de 40 para a
produção industria...
Os biorreatores são concebidos em função do tipo
de processo e dos agentes biológicos empregados.
Podem possuir caracterís...
Exemplos:Exemplos:
Tipo de microrganismos:
Leveduras e bactérias X Fungos filamentosos
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Microrganis...
Cerca de 90 % dos reatores
utilizados industrialmente são do tipo
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Há um gr...
A capacidade de um biorreator é bastante
variável, sendo dependente do processo em questão.
» 1 a 2 m3
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Na literatura existem várias formas
possíveis para a classificação de biorreatores,
tais como:
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Na literatura existem várias formas possíveis para
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Na literatura existem várias formas possíveis para
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Considerando as várias propostas usualmente
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1. Natureza do biocatalisador1. Natureza do biocatalisador
» Estabilidade da cepa;
» Aeróbio ou anaeróbio;
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Biorreatores

  1. 1. ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA EEL / USP TIPOS DE BIORREATORES Novembro de 2009
  2. 2. Definição Reatores químicos nos quais ocorrem reações catalisadas por “Biocatalisadores”. Enzimas Células vivas Microrganismos Animais Vegetais
  3. 3. 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
  4. 4. 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
  5. 5. Exemplos: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
  6. 6. 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
  7. 7. 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
  8. 8. 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
  9. 9. Na literatura existem várias formas possíveis para a classificação de biorreatores, tais como: » A configuração do biocatalizador: Livres ou imobilizados. Classificação dos biorreatores
  10. 10. 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
  11. 11. Considerando as várias propostas usualmente encontradas, foi proposta uma classificação mais abrangente. Classificação dos biorreatores
  12. 12. 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
  13. 13. 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
  14. 14. 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
  15. 15. 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
  16. 16. 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
  17. 17. 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).
  18. 18. 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
  19. 19. 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 PistonadoNos 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 em regime laminar (sem ocorrer mistura longitudinal, “backmix”). Há portanto uma variação da concentração de nutrientes, células e produto ao longo do comprimento do reator.
  20. 20. 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.
  21. 21. 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.,
  22. 22. 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.
  23. 23. 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.
  24. 24. 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 ConfinadasBiorreatores
  25. 25. 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.
  26. 26. 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
  27. 27. 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
  28. 28. 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).
  29. 29. 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.
  30. 30. 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.
  31. 31. 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
  32. 32. 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 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. GásGás
  33. 33. 1. Natureza do biocatalisador1. Natureza do biocatalisador » Estabilidade da cepa; » Aeróbio ou anaeróbio; » Tamanho e forma das células. 2. Propriedades do meio de fermentação2. 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 processo3. Parâmetros bioquímicos do processo » Taxa de transferência de oxigênio; » Dependência da temperatura e pH. Classificação dos biorreatores Seleção de um Biorreator

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