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

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