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
Microrganismos Animais
Vegetais
Introdução
Células vivas
Microrganismo
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.
Introdução
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
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
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
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.
Classificação dos biorreatores
Na literatura existem várias formas
possíveis para a classificação de biorreatores,
tais como:
» O tipo de biocatalisador:
Células
ou
Enzimas
Levedura
Bactéria
Animal
Vegetal
Classificação dos biorreatores
Na literatura existem várias formas possíveis para
a classificação de biorreatores, tais como:
» A configuração do biocatalizador:
Livres
ou
imobilizados.
Classificação dos biorreatores
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
Considerando as várias propostas usualmente
encontradas, foi proposta uma classificação mais
abrangente.
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
» Um biorreatorCélulas/Enzimas
do tipo STR consiste em um vaso cilíndrico
Livres
sendo comuns relações
entre a alturaFluxo
(H) ePistonado
o diâmetro (D) de
1:1, 2:1 ou 3:1.
Estático
» Normalmente
é equipado com Chicanas
(com
Reatores
em
Leito
Fixolargura 0,1D),
Células/Enzimas
faseutilizadas
aquosa para evitar a formação de vórtice.
Imobilizadas
Leito Fluidizado
(submersa)
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Membranas planas
Fibra oca
O agitador é montado no eixo
central,
Estático
(Bandejas)
podendo possuir
ao
longo
de
sua
altura
uma
Reatores em
Agitado
série de turbinas,fase
as quais podem
ser de(Rotatório)
diferentes tipos.
não-aquosa
(semi-sólida)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Agitadores
Células/Enzimas
de
fluxo
Radial
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Turbina RUSHTON
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito
Fluidizado (gás-sólido)
Turbina
Paddle
Agitador em âncora
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Células/Enzimas
Agitadores deLivres
fluxo Axial Fluxo Pistonado
Estático
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Hélice marinha
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Hélice com
Hélice com
Leito Fluidizado (gás-sólido)
fluxo duplo
grandes pás
Agitador com
fita helicóide
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Células/Enzimas
Fluxo Pistonado
FunçõesLivres
da agitação:
Estático
» Homogeneizar o Meio;
Reatores em
fase aquosa
»
(submersa)
Biorreatores
Leito Fixo
Células/Enzimas
Dispersar
os gasesLeito
noFluidizado
Líquido
Imobilizadas
(diminuir o tamanho das bolhas e
Membranas planas
Células/Enzimas
melhorar
a transferência
de
Confinadas
Fibra oca
oxigênio).
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Coluna de bolhas
Biorreatores
“Air-lift”
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Os reatores agitados
pneumaticamente
se
caracterizam Leito
basicamente
pela
Fixo
Células/Enzimas
ausência de agitador mecânico, sendo o
Imobilizadas
Leito borbulhamento
Fluidizado
líquido agitado pelo
de
gás (normalmente ar).
Células/Enzimas
Confinadas
Membranas planas
Fibra oca
Apresentam menor tensão de cisalhamento, o que torna atraente
Estático
(Bandejas)
para o cultivo de células animais
e vegetais.
Reatores em
Agitado
(Rotatório)
A diferença básica
coluna
de bolas e Air-Lift, é que
fase entre o reator
não-aquosa
este último tem
movimentação cíclica
Leito do
Fixolíquido (bem ordenado) e o
(semi-sólida)
primeiro apresenta
movimentação aleatória.
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Nos reatores de fluxo pistonado
“plug-flow” o inóculo e o meio são
misturados na entrada do sistema,
sendo que Reatores
a culturaemflui com
uma
Células/Enzimas
fase aquosa
velocidade constante e em regime
Imobilizadas
(submersa)
laminar
(sem
ocorrer
mistura
longitudinal, “backmix”).
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Há portanto uma variação da
Estático
concentração de nutrientes, células
e (Bandejas)
Reatores
produto ao longo
do em
comprimento
do (Rotatório)
Agitado
fase
reator.
não-aquosa
(semi-sólida)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Biorreatores
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático
(Bandejas)
Caracterizam-se pela ausência
de agitação.
Reatores em
Agitado
(Rotatório)
Os “reatores fase
de bandejas”, são
bastante
limitados no que se refere a
condições denão-aquosa
transferência de oxigênio e controle das condições
Leito Fixo
ambientais do
processo.
(semi-sólida)
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Biorreatores
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca imobilizado
Reatores nos quais o biocatalisador se encontra
em suporte inerte como por exemplo:
Estático (Bandejas)
Reatores Pectina,
em
materiais
cerâmicos, vidro, sílica, etc.,
Agitado
(Rotatório)
fase
não-aquosa
Leito elevadas
Fixo
Tem o objetivo de manter
concentrações celulares,
(semi-sólida)
consequentemente
elevadas
produtividades.
Leito
Fluidizado
(gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Biorreatores
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Células/Enzimas
Nos reatores de
leito fixo não há movimentação da
Confinadas
Fibra oca
partícula (pellets) nas quais o biocatalisador está
imobilizado.
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Nos reatores de leito fluidizado asAgitados
partículas
(pellets) nas
Pneumaticamente
Livres
quais o biocatalisador está imobilizado se movimentam
Fluxo Pistonado
intensamente.
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Biorreatores
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
A fluidização do leito pode ser realizada por:
Estático (Bandejas)
Injeção de ar;
Reatores »em
Agitado (Rotatório)
fase » Gás inerte;
» Corrente de recirculação
do líquido no reator.
não-aquosa
Leito Fixo
(semi-sólida)
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
» Os reatores de célulasCélulas/Enzimas
confinadas
caracterizam-se por manterem asLivres
células
entre membranas semipermeáveis.
emlíquido, mas não das
» PermitemReatores
o fluxo do
Células/Enzimas
fase aquosa
células.
Imobilizadas
(submersa)
» Normalmente eles apresentam separação
entre os fluxos de nutrientes Células/Enzimas
e produtos o
que contribui para as etapas de Confinadas
purificação
Biorreatores
de produtos.
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
» Nestes reatores as tensões
de
Reatores
em
cisalhamentos
são mínimas
(menores do
Agitado (Rotatório)
fase assim, indicados
que air-lift). Sendo
para
células muito não-aquosa
sensíveis.
Leito Fixo
(semi-sólida)
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Os reatores de fase não-aquosa (Fermentação
Estático
semi-sólida), se caracterizam pela ausência de
Reatores
em (30 a 80% de umidade).
Leito Fixo
"água
livre"
Células/Enzimas
fase aquosa
(submersa)
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Os “reatores de bandejas” (“stationary
trays”), são bastante limitados no que se
refere a condições
de transferência de
Reatores em
oxigênio efasecontrole
dasCélulas/Enzimas
condições
aquosa
Imobilizadas
(submersa)
ambientais do
processo.
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Os Reator tipo Tambor rotativo
apresentam
Células/Enzimas
Agitados Pneumaticamente
Livres
uma melhor transferência de oxigênio
e
homogeneização do meio através da agitação. Fluxo Pistonado
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito fixo caracteriza-se pela passagem de
Reatores em
ar ou gás inerte
através deCélulas/Enzimas
um leito de
fase aquosa
Imobilizadas
partículas sólidas.
(submersa)
Células/Enzimas
Confinadas
Biorreatores
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Gás
Classificação dos biorreatores
Classificação Geral dos Biorreatores
Agitados Mecanicamente
No Leito fluidizado gássólido a fluidização ocorre
com elevada
vazão de
Reatores em
gás, o que além
de
fase aquosa
melhorar a transferência
(submersa)
de massa no sistema
auxilia no controle da
Biorreatores
temperatura.
Células/Enzimas
Livres
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Células/Enzimas
Imobilizadas
Células/Enzimas
Confinadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Estático (Bandejas)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Gás
Classificação dos biorreatores
Seleção de um Biorreator
1. Natureza do biocatalisador
» Estabilidade da cepa;
» Aeróbio ou anaeróbio;
» Tamanho e forma das células.
2. 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 processo
» Taxa de transferência de oxigênio;
» Dependência da temperatura e pH.