Biorreatores - Tisha Bordon

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INTRODUÇÃO Queijo

Tempos Antigos

Produção

Iogurte

Microrganismos

Pão

Cerveja 2 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

1857

Louis Pasteur

Papel dos microrganismos nos processos fermentativos 3 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

Primeiras tentativas na produção de antibióticos • Frascos de vidro fixados sobre plataformas oscilatórias com o objetivo de promover uma boa homogeneização do meio líquido e a transferência de oxigênio; 4 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

Problemas desta tentativa: A transferência de oxigênio não era suficiente; As condições dos ensaios não eram reprodutíveis;

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Evolução • Evoluiu-se aos poucos para jarros agitados e mais tarde para os fermentadores (ou biorreatores) aerados e agitados mecanicamente, utilizados até hoje em grande parte dos processos bioquímicos industriais;

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Aplicações • Nas décadas seguintes às primeiras produções de antibióticos, vários outros produtos passaram a ser produzidos através de processos bioquímicos: • Enzimas, solventes orgânicos, vitaminas e aminoácidos, melhoramentos nas áreas de alimentos e tratamento de efluentes, estudos na utilização de células animais e vegetais; 7 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

Tratamentos de Compostos com Biorreatores • Para tratar compostos orgânicos voláteis (VOC’s), hidrocarbonetos combustíveis, compostos orgânicos semi-voláteis (SVOC’s), compostos de bifenil policlorados (PCB). • O processo é menos eficaz para pesticidas. Em uma aplicação, o conceito foi usado para tratar o solo que contem TNT (trinitro tolueno) e RDX (explosivo de demolição real). 8 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

• Ao longo destes anos, as produtividades e rendimentos dos processos foram continuamente melhorados em função do projeto de novas configurações de biorreatores, de meios de cultura mais adequados e da seleção de células mais produtivas;

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DEFINIÇÃO • Os biorreatores ou fermentadores são tanques usados para sintetizar produtos em escala comercial por meio de reações químicas, na maioria dos casos o metabolismo das células é explorado para converter os substratos em produtos desejados. 10 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

• Os microorganismos só crescem e se reproduzem sob condições ótimas e, os biorreatores fornecem aos microorganismos as quantidades corretas de substratos para evitar trocas metabólicas não desejadas; • Os biorreatores são usados para fermentações com células vivas, buscandose manter o crescimento celular para a formação de produtos, ou seja, metabólitos (antibióticos, álcool), biomassa (levedura), substratos transformados (esteróides). 11 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

Biorreator Primário Frascos incubados horizontalmente;

Aumento da área da superfície de transferência de oxigênio

Pequena escala; Utilizado para testes de microrganismos;

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1ª Classificação

• • • • •

Segundo o método de aeração os reatores em fase aquosa podem ser: Reatores agitados mecanicamente como os STR (stirred tank reactor); Reatores agitados pneumaticamente: Coluna de bolhas (bubble column); “Air-lift”; Reatores com fluxo pistonado (plugflow). 13

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BIORREATORES AGITADOS MECANICAMENTE • Os gases dissolvidos, como o oxigênio, devem ser misturados apropriadamente e o dióxido de carbono deve ser removido pelos efeitos da mistura, já que a produção de dióxido de carbono pode levar a inibição da formação do produto em muitos processos de fermentação aeróbica. 14 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

Tipos de Turbinas

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Vórtices de turbulência que se formam atrás Tisha das lâminas de uma turbina de Rushton

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Vórtices de turbulência de uma turbina de Tisha Rushton (vista superior)

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Chicanas • As chicanas transferem a turbulência para as paredes do biorreator, evitando a formação de remoinhos.

As turbinas formam redemoinhos no biorreator.

Vista lateral e superior das chicanas. 18 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

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Velocidade de Agitação

A 750 rpm, o fluido A 450 rpm, bolhas fermentador está A 300 rpm, produz grandes entram no rico em pequenas pouco gás. meio. bolhas entrando no 19 meio.

BIORREATORES STR • Tubo cilíndrico com um agitador no fundo ou na parte superior; • Fermentadores mais comumente usados devido a sua fácil operação, confiabilidade e duração; • Para um biorreator STR de 20 litros um motor de 1 Kwatt é suficiente. 20

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• Para reatores STR de grandes dimensões usa-se aço inoxidável em sua construção; • Os reatores com turbina de Rushton são geralmente 1/3 do diâmetro do tanque; 22 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

• • • • • • •

Um STR agitado mecanicamente contém: Agitador; Sistema de fornecimento de oxigênio; Sistema de controle da temperatura e do pH; Sistema de controle da espuma; Sistema de limpeza e esterilização; Pontos de amostragem; Canais para saída dos efluentes.

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BIORREATORES AGITADOS PNEUMATICAMENTE Existem dois tipos de reatores que não possuem agitação mecânica: • Coluna de bolhas (bubble column); • “Air-lift”. • Possuem agitação pneumática, ou seja, há apenas o borbulhamento de um gás, geralmente ar, no reator. 24 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

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BIORREATORES DE COLUNA DE BOLHAS • São usados, geralmente, na cultura de células sensíveis ao cisalhamento como as células vegetais; • Estes fermentadores são geralmente altos, com uma altura líquida baseada nas relações de 8:1 e 20:1. 26 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

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Design O design da altura desses biorreatores conduz a: • Alta produção de gás; • Longos tempos de resistência das bolhas; • Uma região de pressão hidrostática elevada perto da base do biorreator. 28 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

BIORREATORES AIR-LIFT • O princípio de funcionamento do fermentador air-lift se baseia nas diferenças de pesos específicos entre o volume de ar enriquecido e o volume de ar inferior; • Dependendo de como o fermentador proporciona ar, a densidade mais baixa do meio do cultivo cria um fluxo para cima o qual resulta na circulação do meio de cultivo. 29 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

• O oxigênio é provido por um compressor de ar; • O fermentador air-lift difere do de bolha por apresentar um tubo de recirculação da cultura, o que aumenta a eficiência na transferência de massa e calor. • No entanto, são muito mais caros de construir que o biorreator com coluna de bolhas. 30

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As principais desvantagens dos airlift quando comparados com os STR são:  Requer mais energia;  Níveis mais elevados de formação de espuma;  Danos celulares, principalmente nas culturas de células animais. Isto ocorre devido as forças de cisalhamento levarem ao estouro da bolha na superfície. 32

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BIORREATORES COM FLUXO PISTONADO (PLUG-FLOW) Um reator plug-flow (PFR): • É um reator químico onde o líquido (geralmente um gás) passa completamente de modo coerente, ou seja, de modo que o tempo de residência seja o mesmo para todos os elementos do fluido. 33 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

• Os reagentes miscíveis ou não-miscíveis são alimentados pelo fundo da coluna, fluem para cima através da zona agitada e sai pelo topo da coluna. • As “camisas” de aquecimento ou de refrigeração são usadas para controlar a temperatura da reação. Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

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Aplicações • São usados para modelar a transformação química dos compostos enquanto são transportados em sistemas que se assemelham às “tubulações”. • A “tubulação” pode representar uma variedade das canalizações projetadas ou naturais através das quais os líquidos ou os gases fluem. (Exemplo: um rio, encanamentos, regiões entre duas montanhas, etc.). 35

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Plug-Flow Pistonado Ideal • Um reator ideal de fluxo pistonado tem um tempo de residência fixo: todo o líquido (plug) que entrar no reator no tempo t sairá do reator no tempo t + τ, onde o τ é a tempo de residência do reator. • Um reator real de fluxo pistonado tem uma distribuição do tempo de residência como um pulso estreito em torno da distribuição média do tempo de residência. 36

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• Um reator típico do fluxo pistonado poderia ser um tubo empacotado com algum material contínuo (freqüentemente um catalisador). • As reações contínuas homogêneas são tipicamente plug-flow.

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• Os líquidos reagentes são misturados juntos e continuamente e o tempo de residência no reator é muito curto. Este estilo é muito útil para as reações rápidas. • Em um teste, um reator de coluna substituiu uma série de CSTR's forneceu um rendimento e uma pureza mais elevados. 38 Tisha Bordon - tishabordon.blogspot.com

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BIBLIOGRAFIA • Revista de Graduação da Engenharia Química (ANO I No. 2 Jul-Dez 98); http://www.hottopos.com/regeq2/meio_seculo_de_engenhar ia_bioq.htm) • http://www.biologia.edu.ar/microind/producci%C3%B3n_de_ penicilina.htm • Universidad de Guadalajara; Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente, ITESO; Raúl R. Leal Ascencio ; http://iteso.mx/~rleal/Coecytjal/Fund_bio.pdf • http://www.np.edu.sg/lsct/biochemical_engineering/lectures/ bioreact1/bioreact2_1.htm • College of Engineering, University of Michigan; http://www.engin.umich.edu/~cre/asyLearn/bits/pfrfinal/ • www.pilot-plant.com/ reactions.htm • The Center for Public Environmental Oversight (CPEO); http://www.cpeo.org/techtree/ttdescript/biorec.htm 39 • http://www.bakker.org/cfm/webdoc12.htm

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