Biotecnologia Farmacêutica
2009 - 2010
3 – 12 - 2009
20T – Maria Henriques Ribeiro
SEQUÊNCIA DAS OPERAÇÕES ENVOLVIDAS NUM PROCESSO
INDUSTRIAL UTILIZANDO A BIOTECNOLOGIA
Selecção do biocatalisador
Preparação do meio de crescimento
Preparação substrato
Crescimento das células
Resíduos celulares
Imobilização celular / enzima
Extracção e purificação
da enzima
Operação utilizando células /
enzimas imobilizadas
Recirculação do
substrato
não consumido
Produto
Desperdícios
(Produtos laterais)
Recuperação (concentração)
Purificação
Armazenagem do produto
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Selecção -
BIORREACTORES
•características da reacção
•propriedades de substratos e produtos
•propriedades físicas do catalisador
•características do reactor
Principais Tipos de Biorreactores
• Reactores com agitação mecânica interna
• Reactores tubulares
• Reactores “loop”
• Reactores de membrana
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• Reactor
com agitação mecânica interna
Principais aplicações
• mais utilizados em fermentação
- mistura rápida (elevada velocidade de agitação)
- adequada transferência de O2 (ferm. aeróbias)
- minimiza o volume necessário para atingir det. produção
• vantajoso em reacções inibidas pelo substrato
• não é muito utilizado para biocatalisadores imobilizados , quando são
necessárias velocidades de agitação elevadas
• as tensões de corte desenvolvidas pelos agitadores podem ser
fontes de desgaste e ser abrasivas para as partículas de biocatalisador
e para as matrizes de imobilização
• Em reacções com consumo de ácido ou base (facilidade de
controlo de pH e de temperatura)
• ou de oxigénio
• substratos viscosos
Principais vantagens
• construção simples
• barata
•reactor no qual muita investigação tem sido desenvolvida
Principal desvantagem
• menor quantidade de biocatalisador por volume de biorreactor
quando comparada com os de leito fixo
• contaminações microbianas
• BSTR - descontínuo
• CSTR - contínuo
Reactores de mistura completa
CSTR - muito utilizado em cultura contínua
microrganismos, pouco usado em biotransformação
de
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•Produção de penicilina acilase por células de E.coli
•Produção de esteróides por células de Arthrobacter simplex
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Factores a considerar no Desenho e construção de um
fermentador
Vaso com condições de funcionamento
asséptico durante vários dias e
reprodutível em operação a longo termo
Arejamento e agitação adequados às
necessidades metabólicas do
microrganismo. A mistura não deve
causar danos no microrganismo.
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Factores a considerar no Desenho e
construção de um fermentador
Consumo de energia o menor possível
Sistema de controlo de temperatura e pH
Facilidade na recolha de amostras
Perdas por evaporação no fermentador,
diminutas
A construção do vaso de modo que o trabalho em
operação, centrifugação, limpeza e manutenção seja
o menor possível
O vaso deve ser adequado ao processo
Factores a considerar no Desenho e construção de um
fermentador
O vaso deve ser semelhante, na geometria a
pequenos e grandes em escala laboratorial ou
piloto, de modo a faciliatar o “scale-up”
Devem ser utilizados materiais mais baratos
sempre que possível desde que os resultados
sejam bons.
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Manutenção das Condições de Assépsia
Desenho do equipamento (materiais vedantes)
Esterilização do equipamento – precede o arranque
Operação – Esterilização de meios, ar, etc.
Técnica dos operadores
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Bioreactor de leito fluidizado para cultura de células animais
Volume cultura
300 mL to 1.150 mL
Volume de
“microcarriers”
50 mL a 500 mL
Densidade celular
Superior a 2 x 108 celulas por mL de
volume de leito
Viabilidade celular
> 99 % células viáveis
Produtividade
> a 1 mg de anticorpo por mL de volume de
leito por mL e por dia
Sensores
pH, pO2, Temperatura
Aplicações
Cultura de células animais, aderentes, em
suspensão
- 35 L
FERMENTADORES DESCARTÁVEIS
SUB – Single use Bioreactor (HyClone)
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Reactor de Leito Fixo
Cultura de células animais
Reactor de Leito Fluidizado
Reactor de Membrana
Reactor mecanicamente
agitado
Agitação e Mistura de Líquidos
O sucesso de muitos processos depende da agitação efectiva e
da mistura de fluidos.
Objectivos da agitação
Dispersão de um gás através de um líquido na forma de
pequenas bolhas
Suspensão de partículas sólidas
Mistura de líquidos imiscíveis
Dispersão de um líquido imiscível noutro para formação de uma
emulsão ou suspensão de pequenas gotas
Promoção da transferência de calor entre um líquido e outro.
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Classificação dos Agitadores
(segundo o ângulo que formam com o eixo):
Agitadores de Fluxo Axial
(em que a lâmina faz um ângulo de 90ºC com o eixo
do agitador)
Agitadores de Fluxo Radial
(cujas lâminas são paralelas ao eixo)
Agitadores de Fluxo
Axial
Agitadores de Fluxo Radial
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Tipos de Agitadores
Turbina de disco de lâminas planas:
“Turbina de Rushton”
Vários discos
Turbina aberta ou agitador de pás
Agitador marinho ou em hélice
Turbina de Rushton Agitador marinho ou em hélice
Turbina aberta ou
agitador de pás
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Modos de evitar o vórtice
Anteparas
Agitador móvel
Métodos de colocar as anteparas:
1.Turbina “Rushton”, vortex sem anteparas
2. Agitador marinho, fluxo axial com anteparas
3. Turbina Rushton, fluxo radial com “baffles”
1.
2.
3.
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Sistemas de cultura de células animais
Static flask
Roller bottle
Bioreactor
Spinner vessel
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Sistemas de cultura de células animais
Spinner vessel
Lab Bioreactor
Pilot scale
FERMENTADORES DESCARTÁVEIS
0,1 - 5 L
1 - 25 L
10 – 100 L
100 – 500 L
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FERMENTADORES DESCARTÁVEIS
• Reactores tubulares
• muito
utilizado para biocatalisadores imobilizados
• principalmente em modo contínuo
•Leito fixo
•Leito fluidizado
• natureza das partículas
• modo de fluxo
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• Reactor de Leito fixo
• mais
popular de todos
biocatalisadores imobilizados
os
reactores
para
• permite utilizar o catalisador na concentração
máxima
•produtividades volumétricas elevadas
•conversão máxima de substrato por unidade de
volume de reactor
• no leito não devem aparecer caminhos preferenciais
ou outras irregularidades
•dificil controlo de pH
•podem funcionar com uma só passagem ou com
recirculação
•podem ser modelados como reactores pistão
Células hematopoiéticas
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Miniturização de bioreactor para cultura de células animais
•Reactor de Leito fluidizado
• funciona em fluxo ascendente a uma velocidade
que permite fluidizar as partículas de biocatalisador
imobilizado
• matriz de imobilização resistente ao choque entre
as partículas,
• tamanho das partículas resulta de um exercício de
optimização
• para obtenção de elevados rendimentos -> fluxo de
líquido tipo pistão
• em processos industriais este fluxo é dificil de
obter integralmente
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• Reactores
tubulares
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