Tipos de Biorreatores: reais, no convencionais e com clulas imobilizadas.

Prof. Dr. Marcelo Fossa da Paz

mfpaz9@gmail

STR Coluna de bolhas

Air-lift

Plug-flow

Clulas imobilizadas leito fixo

Membranas planas

Fibra oca (Hollow-fiber)

Clulas imobilizadas leito fluidizado

Tipos de Biorreatores

STR: consiste em um tanque cilndrico com agitao mecnica.

O agitador montado num eixo central do fermentador,

possuindo, ao longo de sua altura, uma srie de turbinas, as

quais podem ser de diferentes tipos.

Reatores agitados pneumaticamente (b e c): se caracterizam

basicamente pela ausncia do agitador mecnico, sendo a

agitao do lquido efetuada apenas pelo borbulhamento de um

gs (normalmente ar) no reator.

Menores tenses de cisalhamento cultivo de clulas animais e

vegetais.

(b) Bubble column: coluna de bolhas tem movimento aleatrio do

lquido dentro do reator.

(c) Air-lift: movimentao cclica do lquido atravs de

dispositivos e arranjos internos construdos com esse propsito.

Fluxo pistonado (plug-flow): o inculo e meio de cultura

so misturados na entrada do sistema, sem haver

mistura longitudinal. Ocorre variao na concentrao

dos nutrientes e das clulas ao longo do comprimento

do reator.

Clulas / enzimas imobilizadas: o biocatalisador se encontra

imobilizado em um suporte inerte como, por exemplo, alginato,

gar, K-carragena, pectina, vidro, slica, etc.

A finalidade de utilizar clulas / enzimas imobilizadas a

manuteno de elevadas concentraes celulares elevadas

produtividades.

Dependendo da movimentao das partculas, os

reatores se dividem em:

Leito fixo (e): a movimentao praticamente inexistente;

Leito fluidizado (f): h movimentao intensa das partculas,

sendo que a fluidizao do leito pode ser feita por injeo de ar,

gs inerte ou pela recirculao do lquido do reator.

Clulas confinadas entre membranas: os biorreatores de

lminas de membranas planas e de fibra oca

caracterizam-se por manterem as clulas confinadas

entre membranas semipermeveis (entrapped

biocatalyst), as quais permitem o fluxo de lquido mas

no de clulas. Ocorre a passagem dos nutrientes e

produtos atravs da membrana (reator de perfuso).

Estes tipos de reatores prevem a separao

entre fluxos de nutrientes e produtos metablicos, o que

permite uma primeira operao de separao do produto

desejado, contribuindo para o processo de purificao do

produto (downstream processes).

Capacidade dos biorreatores - industrial

bastante varivel, conforme o processo em questo. Podem ser

distintos em trs grupos:

Pequena escala: centenas de litros at 1 a 2 m3 de capacidade. Utilizados

no cultivo de microrganismos patognicos e crescimento de clulas animais

ou vegetais, objetivando a produo de produtos ligados a rea da sade.

Escala intermediria: dezenas de m3 a 100-200 m3 de capacidade. Utilizados

na produo de enzimas, antibiticos e vitaminas.

Grande escala: milhares de m3 de capacidade. Utilizados em fermentao

alcolica ou tratamento de resduos.

Lembre-se que:

1 m3 1000 L.

Formas de Conduo de um Processo Fermentativo

Quando se pensa em um processo fermentativo, imagina-se:

1 - Preparar certo meio de cultura (adequado a nutrio e desenvolvimento

dos microrganismos, bem como ao acmulo do produto desejado);

2 - Colocar este meio de cultura no fermentador e esterilizar;

3 - Preparar o inculo, escalonar e adicionar ao fermentador (inocular);

4 - Aguardar o tempo necessrio para que o processo ocorra, controlando pH,

oxignio e espuma;

5 - Descarregar o fermentador;

6 - Executar as operaes unitrias necessrias para a obteno do produto.

A descrio acima tpica de um processo de fermentao

descontnuo simples, ou descontnuo tradicional, tambm chamado de

processo em batelada.

Entretanto, so vrias as maneiras de se conduzir um processo

fermentativo industrial, o qual visa a maior obteno de produto com menor

custo.

De um modo geral, um biorreator pode ser operado das

seguintes formas:

Descontnuo

com um inculo por tanque

com recirculao de clulas

Semicontnuo

sem recirculao de clulas

com recirculao de clulas

Descontnuo alimentado (fed batch)

sem recirculao de clulas

com recirculao de clulas

Contnuo

executado em um biorreator

executado em vrios biorreatores

sem recirculao de clulas

com recirculao de clulas

Descontnuo

Seu modo de operao pode ser descrito assim: no incio o meio de cultura

esterilizado dentro do biorreator inoculado com o microrganismo e incubado, de

modo a permitir que a fermentao ocorre sob condies timas. No decorrer do

processo nada adicionado ao biorreator a no ser oxignio - ar (processo aerbio),

antiespumante e soluo para o controle do pH. Terminada a fermentao, descarrega-

se a dorna e o caldo fermentado segue para os tratamentos finais (downstream

processes).

Com um inculo por tanque

Com recirculao de clulas: centrifugao, sedimentao ou separao por membranas.

Primeiro Segundo Terceiro

Processo de sedimentao (decantao)

Produo de aguardente

Caractersticas do Processo Descontnuo

1 Volume no biorreator permanece constante: se no houver adio de

solues para o controle do processo, nem perda de lquido por evaporao,

o volume no decorrer da fermentao permanece constante;

2 Baixos rendimentos ou produtividade: quando o substrato adicionado de

uma s vez no incio da fermentao exerce efeitos de inibio, represso, ou

desvia o metabolismo celular a outros produtos que no interessam;

3 Tempos mortos: tempos em que o biorreator no est sendo usado para o

processo fermentativo propriamente dito, tais como tempo de carga e

descarga de dorna e perodo correspondente a lavagem e esterilizao do

fermentador;

4 Riscos de contaminao menores, em comparao ao processo contnuo;

5 Flexibilidade de operao: pode-se utilizar os fermentadores para a

obteno de diferentes produtos;

6 Mais utilizado na indstria de alimentos: usado na produo de iogurte,

chucrute, picles, cerveja, vinho, etc.

Classificao do Processo Descontnuo

Em escala industrial, muitos processos so adaptados com vistas a

otimizar a produo. O processo descontnuo, por sua vez, tambm pode ser

adaptado de modo a atender ao objetivo de diferentes indstrias.

Os processos descontnuos podem ser classificador em trs grandes

grupos, de acordo com o modo de inoculao:

1) Culturas puras - inoculao de uma dorna com um microrganismo que foi

propagado a partir de uma cultura pura;

2) Recirculao do microrganismo reaproveita-se como inculo o

microrganismo da batelada anterior.

a) Sedimentao do microrganismo destilarias de lcool;

b) Separao das clulas por centrifugao.

3) Por meio de cortes - opera-se da seguinte maneira: inocula-se uma cuba

(chamada de A), quando a fermentao atinge um determinado estgio,

passa-se parte do contedo para uma dorna vazia (chamada B) e, em

seguida, enchem-se as duas com meio de cultivo. Essa operao

chamada de cortes. Diz-se que a dorna A foi cortada para a dorna B.

Descontnuo alimentado: processo onde um ou mais nutrientes so adicionados durante o cultivo

metabolismo deslocado.

aquele no qual inicialmente se introduz o inculo, o qual deve

ocupar de 10 a 20% do volume til. Aps alimenta com o meio de

cultura, sem a retirada do caldo fermentado. Depois do preenchimento

do volume til do biorreator se inicia a retirada do caldo fermentado

para a obteno do produto.

Uma variao a recuperao das clulas (centrifugao,

sedimentao ou separao por membranas), retornado ao biorreator,

gerando economia no preparo do inculo no custo e tempo.

Classificao do Processo Descontnuo Alimentado

Devido diversidade de aplicaes do processo descontnuo

alimentado, algumas variaes podem decorrer com a finalidade de ajust-lo

produo de diversos produtos obtidos por fermentao.

1) Descontnuo alimentado repetitivo: uma frao constante de volume de

cultura removida a intervalos de tempo fixos. De tempos em tempos retira-se

um volume fixo de caldo fermentado, sendo recolocado mosto para completar o

volume de fermentao. Enchimentos e esvaziamentos repetidos de volumes

especficos resultam em uma operao cclica de variao de volume dentro do

fermentador. Assim, pode-se denominar de processo descontnuo alimentado

cclico.

Tem como objetivo aproveitar como inculo o microrganismo que est

crescendo com alta velocidade de crescimento e de trabalhar com clulas que

esto na fase produtiva por mais tempo, levando ao aumento de produtividade

do sistema.

2) Descontnuo alimentado estendido: a concentrao de substrato limitante

mantida constante no meio de fermentao pelo suprimento contnuo do

nutriente.

Tem como objetivo estender o perodo de fermentao, mantendo nveis

de concentrao de substrato no biorreator adequados para que as clulas com

a atividade fermentativa direcionada para a formao do produto desejado.

Semicontnuo: aps o trmino da fermentao, parte do caldo fermentado retirado e adicionado o mesmo volume de meio de cultura. Operao por choques de carga de substrato.

Diferencia-se do processo descontnuo alimentado por ter uma recarga no fermentador de modo instantneo.

Contnuo Sistema aberto no qual estabelece um fluxo contnuo de lquido atravs do biorreator. O meio a ser introduzido deve ser esterilizado, assim como se deve manter as condies de assepsia nas operaes de alimentao e retirada do caldo fermentado.

Com um tanque

Com tanques em srie: a alimentao de um dado biorreator da srie o efluente do biorreator anterior a este.

Processo Contnuo com biorreatores em srie

A distribuio de meio de cultura

nos diferentes biorreatores pode

levar a diferentes condies de

fermentao entre os biorreatores.

O reciclo de clulas pode ser

realizado tanto em um nico

biorreator quanto nos biorreatores

em srie, em qualquer deles.

Fluxograma do processo de produo de lcool em modo

de operao contnuo com mltiplos estgios e com

recirculao de clulas

A Usina Aucareira So

Manoel uma tradicional

unidade industrial produtora

de cana, acar, etanol e

levedura seca. Esmaga

atualmente 3,3 milhes de ton

de cana para produzir 225 mil

ton de acar, 142 milhes de

L de etanol e 2.000 ton de

levedura por ano.

Levedura seca inativa:

Levedura seca obtida da

fermentao de caldo de

cana de acar, destinada

compor raes para

alimentao animal (aves,

peixes, sunos, camares,

raes extrusadas para ces

e gatos) com elevado

contedo protico.

A manuteno de volume constante de lquido no biorreator de

primordial importncia, a fim de o sistema atinja a condio de estado

estacionrio ou regime permanente (steady state), condio na qual as

variveis de estado (concentrao de clulas, de substrato limitante e de

produto) permanecem constante ao longo do tempo de operao do sistema.

A manuteno de volume constante requer:

Sistema de retirada de lquido por transbordamento (ladro);

Bombas de alta vazo instaladas na sada, acionadas intermitentemente.

Biorreator

Vazo de Alimentao Vazo de Retirada

IMPOSSVEL DE SE OBTER NA PRTICA!!!

Outro fator que afeta a manuteno de volume constante de lquido no

biorreator a formao de espuma. A formao de espuma pode ser

controlada com a adio de antiespumante (antifoam), ou atravs de sistemas

mecnicos de quebra de espuma.

Antiespumantes so agentes teso-ativos, que atuam na interface ar-

lquido, modificando ou impedindo a formao de bolhas.

Antiespumantes leos vegetais neutros, lanolina bruta, lcoois superiores,

polilcoois e silicone lquido.