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BIORREATORES
Biotecnologia
Profa. Bruna
Reatores Agitados Mecanicamente
STR = stirred tank reactor
Biorreatores
Conhecidos como reatores de mistura
Cerca de 90% dos reatores utilizados
industrialmente
Tanque cilíndrico com um agitador
montado em um eixo central ao
fermentador
Agitador possui ao longo de sua altura
uma série de turbinas, que podem ser de
diferentes tipos (a mais utilizada é a de pás
planas)
Reatores Agitados
Mecanicamente
Reatores Agitados
Mecanicamente
Reatores Agitados
Mecanicamente
Reatores Agitados
Mecanicamente
Reatores Agitados
Mecanicamente
Reatores Agitados
Mecanicamente
Relações entre altura e diâmetro mais
comuns 2:1 ou 3:1
Versatilidade
Áreas farmacêuticas diferentes
substâncias podem ser produzidas no
mesmo biorreator
Investimentos são recuperados
rapidamente
Reatores Agitados
Mecanicamente
Desvantagens:
Gasto de energia para a agitação
mecânica
Tendem a afetar a morfologia celular
São de difícil escalonamento
Têm de ser cuidadosamente projetados
para produzir adequada mistura e
aeração
Reatores Agitados
Mecanicamente
Reatores Agitados
Pneumaticamente
Ausência de agitador mecânico
Agitação do líquido é feita pelo
borbulhamento de um gás no reator
Menores tensões de cisalhamento
cultivo de células animais e vegetais.
Biorreatores
Reatores Agitados
Pneumaticamente
Coluna de
Bolhas
Airlift
Reatores Agitados
Pneumaticamente
Circulação
Interna
Circulação
Externa
Dispositivo = Draft Tube
Reatores Agitados
Pneumaticamente
Funções do draft tube:
o aumento do grau de mistura
(escoamento axial)
redução da coalescência das bolhas
equalização das forças cisalhantes ao
longo do biorreator
Circulação do meio pelo movimento das
bolhas gasosas energia cinética
mistura desejável no sistema reacional
Reatores Agitados
Pneumaticamente
Elevada relação altura:diâmetro
(6:1 H/DT 20:1)
Possibilitam a operação contínua de
bioprocessos com altas densidades
celulares (células imobilizadas ou
floculantes) altos valores de
produtividade volumétrica.
Reatores Agitados
Pneumaticamente
Reatores de Fluxo Pistonado
Plug-flow
O inóculo e o meio de cultura são
misturados na entrada do sistema,
sendo que idealmente a cultura flui com
uma velocidade constante sem ocorrer
mistura longitudinal
Biorreatores
Reatores de Fluxo
Pistonado
Variação da concentração dos nutrientes e
das células ao longo do comprimento do
reator
Funciona bem para muitos fluidos
Vantagens: alta conversão por unidade de
volume, opera por longos períodos de
tempo sem manutenção, taxa de
transferência de calor pode ser otimizada
pelo tamanho do tubo
Desvantagens: controle de temperatura
Reatores com Biocatalisador
Imobilizado
Biocatalisador imobilizado em um
suporte inerte
Finalidade manutenção de elevadas
concentrações celulares alta
produtividade
Biorreatores
Reatores com
Biocatalisador Imobilizado
Reatores com
Biocatalisador Imobilizado
Vantagens
Possibilidade de aplicação em reações enzimáticas
de múltiplas etapas
Rendimentos e produtividades elevados
Estabilidade operacional geralmente alta
Operações de extração e/ou purificação de enzimas
são desnecessárias
Altas densidades celulares podem ser empregadas
Densidades celulares e atividades enzimáticas podem
ser mantidas por longos períodos de operação
Produtos podem ser facilmente separados da
biopartícula catalítica
Menor suscetibilidade a contaminações microbianas.
Reatores com
Biocatalisador Imobilizado
Desvantagens
Reações indesejáveis podem ocorrer pela
presença de várias enzimas cataliticamente
ativas
Desprendimento de células e enzimas do
suporte
Problemas ligados à transferência de
massa intraparticular
Leito Fixo Leito Fluidizado
Reatores com
Biocatalisador Imobilizado
Reatores com Membranas
Mantem as células confinadas entre
membranas semipermeáveis, que
permitem o fluxo de líquido, mas não a
passagem de células
Separação entre os fluxos de nutrientes
e produtos metabólicos
Simplificação das etapas de purificação
do produto
Biorreatores
Reatores com
Membranas
Membranas
Planas
Fibra Oca
Tensões de cisalhamento são mínimas
alguns tipos de células animais
extremamente sensíveis ao cisalhamento
Comparativamente aos típicos reatores
com células imobilizadas em suportes
inertes, tem-se neste tipo de reatores
menores obstáculos difusionais
Reatores com
Membranas
Construção do Biorreator
Passível de ser esterilizado quando
culturas puras são empregadas
Deve ser de simples geometria e
construção
Deve conter um número mínimo de
flanges e soldas
Material deve possuir rugosidade
superficial mínima
Biorreatores
Construção do Biorreator
Suportar carregamento (espessura de
chapa compatível com o volume a ser
processado)
Deve ter capacidade de suportar altas
pressões, particularmente em
bioprocessos nos quais esterilização é
requerida
Biorreatores
Construção do Biorreator
Deve apresentar ótimas condições de
mistura (baixo e uniforme cisalhamento)
e permitir uniforme suspensão de
sólidos
Deve possuir condições de fluxo
claramente definidas, com alimentação
de substrato compatível com as taxas
de metabolização
Biorreatores
Construção do Biorreator
Deve possibilitar adequado transporte
de massa, particularmente em relação à
transferência de oxigênio, em processos
aerados
Adequada instrumentação para o
monitoramento e controle (online ou
offline) das variáveis de processo
Deve prever o controle de espuma
Biorreatores
Construção do Biorreator
Flexibilidade, podendo ser empregado
em outros bioprocessos
Estabilidade a longo tempo
Compatibilidade com as etapas de à
montante (upstream) e à jusante
(downstream)
Fácil escalonamento
Biorreatores
Controles no Biorreator
Variáveis físicas: temperatura, vazão,
velocidade de agitação e taxa de
aeração
Variáveis físico-químicas: pH, potencial
redox, pressão parcial de oxigênio e a
composição dos gases de saída
Variáveis químicas ou bioquímicas
difícil biossensores
Biorreatores
Alguma
dúvida?
Biorreatores