biorreatores e processo fermentativos ifsc

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Biorreatores e Processos Fermentativos

Aula 6 Prof a. Dr a Ilana L. B. C. Camargo Cincias Fsicas e Biomoleculares

IFSC - USP

PARTE II

Biorreator ou fermentador

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Classificao dos biorreatores

Quanto ao tipo de biocatalisador;

Quanto configurao do biocatalisador (clulas / enzimas

livres ou imobilizadas );

Quanto forma de se agitar o lquido no reator.


Biocatalisadores:

Enzimas ou clulas vivas (microbianas, animais ou vegetais)

Classificao dos Biorreatores quanto ao tipo de biocatalisador:

Grupo dos Reatores Bioqu micos Biorreatores nos quais as

reaes ocorrem na ausncia de clulas vivas, ou seja, so

tipicamente os ticos

Grupo dos Reatores Biolgicos Biorreatores nos quais as

rea es se processam na

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Classificao mista dos biorreatores segundo Kleinstreuer :

Baseada no tipo do biocatalisador empregado (enzima,

microrganismo aerbio ou anaerbio) e na configurao

deste (livre, imobilizado ou confinado entre membranas)

Grande

variedade !!!

I) Reatores em fase aquosa (fermentao submersa)

(I .1 ) Clulas / enzimas livres

Reatores agitados mecanicamente (STR : tank

Reatores agitados pneumaticamente

- Torre

- Coluna de bolhas

- Reatores -

Reatores de fluxo pistonado -

(I.2) C lulas /enzimas imobilizadas em suportes

Reatores com leito fixo

Reatores com leito fluidizado

(I.3) Clulas /enzimas confinadas entre membranas

Reatores com membranas planas

-

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II) Reatores em fase n o - aquosa (fermentao semi - slida)

Reatores estticos (reatores com bandejas)

Reatores com agitao (tambor rotativo)


Reatores com leito fluidizado gs - slido


I. Reatores em fase aquosa (fermentao submersa)

(I.1) Clulas /enzimas livres

Mais amplamente utilizados: reatores agitados mecanicamente (STR,

stirred tank reactor ), conhecidos tambm como reatores de mistura,

constituindo cerca de 90% do total de reatores utilizados

industrialmente.

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Chicanas / Baffles

Agitadores

Sistema de aerao

Reatores agitados mecanicamente (STR)

Agitao mecnica favorece a

homogeneizao, suspenso de

slidos, disperso gs - lquido,

aerao e a transferncia de calor e

massa

Quebra espuma

Reatores agitados mecanicamente (STR)

Agitadores ou impelidores : geralmente so colocados em volta de

um eixo central rotatrio e distribudos ao centro e fundo do tanque . O

tipo, tamanho e nmero de agitadores, bem como a localizao

influenciam diretamente na mistura e transferncia de massa no reator .

A velocidade de rotao (rpm) dos agitadores definida pelo usurio .

Principais agitadores:


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Pense nos aqurios!!

Biorreator ou fermentador Ar

Microrganismos para decomposio

Ar


Reatores agitados pneumaticamente a) Biorreatores em torre b) Biorreatores coluna de ar / bolhas c) Biorreatores air - lift (Loop reactor )

A B C

Reator tipo Torre Reatores tipo


Tubo difusor

Relao altura/dimetro de 3:1 Pode ter at 20 m de altura!

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Biorreatores coluna de ar / bolhas


Ponto de vista construtivo mais simples

Cilindro com fundo e tampas abauladas

Serpentinas de resfriamento internas ou externas

Entrada de ar pelo fundo

Produo de cido ctrico at antibiticos

Relao altura/dimetro de 4:1 a 5:1

Pode chegar at 23 m de altura

Quando h serpentinas internas, passam a funcionar mais como air - lift e no como bubble column fermenter


Biorreatores com borbulhamento / coluna de ar

http://www.microbialcellfactories.com/content/figures/1475 - 2859 - 5 - 21 - 3 - l.jpg

Miniatura

Betts and Baganz Microbial Cell Factories 2006 5:21

http://ct - cr4.chem.uva.nl/bc/lit_radi.html


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Biorreatores com borbulhamento / coluna de ar

Aplicao: clulas animais e vegetais


Ausncia de agitao mecnica

Menores tenses de cisalhamento

Aumentar a mistura axial no reator ;

Reduzir a coalescncia das bolhas que circulam numa

mesma direo (igual a do lquido) ;

Equalizar as foras de cisalhamento ( distribuda

uniformemente pelo reator) .


Biorreatores air - lift - promove movimentao cclica do fluido usando um cilindro central em cuja base inserido o ar A presena do tubo difusor permite:


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Biorreatores air -

Regies do Tubo Difusor

Riser / fluxo ascendente : regio onde as bolhas de gs so liberadas . Pode ser dentro ou fora do tubo central . A ascenso das bolhas causa o fluxo de lquido na direo vertical . Para contrabalanar, o lquido flui em direo descendente no downcomer / fluxo descendente . Isto permite a circulao do lquido e aumenta a eficincia de mistura quando comparado a coluna de bolhas .

Zona de alvio



Biorreatores air -

Zona de Alvio :

Adiciona volume ao reator ; Reduz a espuma ; Minimiza a circulao de bolhas pelo downcomer devido ao sbito alargamento do topo do reator que diminui a velocidade da bolha e a libera do fluxo do lquido . Assim previne -se a entrada de bolhas ricas em CO2 no downcomer ; Reduo da perda de meio devido a formao de aerossol

Os reatores airlift so utilizados com fluidos menos viscosos e quando h necessidade de agitao mais suave e transferncia de oxignio a baixo custo .

Biorreator ou fermentador Zona de

alvio

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Biorreatores air -


Caractersticas:

Extrema simplicidade

Baixo investimento

Maior facilidade para ampliao da escala

Menor consumo de energia

Adaptao mais fcil ao cultivo de clulas sensveis ao cisalhamento

Relao de altura dimetro varia de 5:1 at 10:1

Relao do dimetro do tubo central e dimetro do reator de 0,6 0,8, o

que maximiza a circulao do meio e, portanto, obtm menor tempo de mistura

Desvantagens dos Biorreatores tanque agitado

mecanicamente em relao aos air -

-Maior consumo de energia

-Maior nvel de espuma

-Nem sempre compatvel com alguns tipos de clulas

(animais e vegetais)


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Reatores de fluxo pistonado -

http://www.pilot - plant.com/images/plug - flow - reactor.jpg

Meio Inculo

Meio e inculo so misturados a

partir da base do reator e a

cultura flui, idealmente, em

velocidade constante, sem

ocorrer mistura longitudinal.

O fluxo contnuo e o tempo

dentro do reator curto, por isso

utilizado para reaes rpidas.


(I.2) C lulas imobilizadas em suportes


Principal caracterstica:

Estrutura fsica de confinamento que obriga as

clulas a permanecerem em uma regio particular

de um biorreator

Schmidell W. et al, 2001. V.2 cap. 16

Sem necessidade de c lulas vivas

Com necessidade de clulas vivas

Enzima/Sistema ezimtico envolvido na converso bioqumica ativo (1 ou algumas, sem coenzimas e vias anablicas presentes na replicao celular)

Produtos a serem formados requerem mltiplos passos de transformaes, regenerao de coenzimas, presena de cadeia respiratria, vias metablicas geradoras de intermedirios e outros inerentes s clulas vivas

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Vantagens do uso da clula imobilizada:

Possibilidade de utilizao de altas concentraes celulares no volume reacional, implicando em maiores velocidades de processamento;

Operao de sistemas contnuos com velocidade de alimentao acima da velocidade especfica mxima de crescimento da clula (no imobilizada);

Eliminao de problemas com reciclo externo de clulas ( sedimentadores , filtros, centrfugas);

Provvel obteno de maiores fatores de converso de substrato ao produto desejado;

Possibilidade de utilizao de projetos de biorreatores mais adequados cintica do sistema biolgico utilizado;

Maior proteo ao sistema biolgico em relao ao estresse ambiental, ocasionado por elevadas concentraes de substratos, pH e cisalhamento.




A imobilizao conseguida atravs do contato do material utilizado para a imobilizao com as clulas vivas que se pretende imobilizar, sob condies ambientais controladas . O material utilizado para a imobilizao denominado Suporte .



Caractersticas de um suporte:

a) No ser txico para as clulas;

b) Ter alta capacidade de reteno;

c) Ser resistente ao ataque qumico e microbiano;

d) Ter pouca sensibilidade s possveis solicitaes mecnicas (compresso por peso, tenses de cisalhamento ou presses internas ou externas de gases);

e) Alta difusividade de substratos e de produtos.

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Mtodos de imobilizao em partculas:



Polmeros

naturais

Polmeros

sintticos

Materiais

inorgnicos

Alginato Poliacrilamida Alumina

K-Carragena Cloreto de

polivinila

Slica

gar Poliestireno Zircnia

Pectina Poliuretano Vidro

Dextrana Polietileno glicol Diatomita

Colgeno Vermiculita

Celulose

Adsoro, Ligao covalente e Envolvimento

Mtodos de imobilizao em partculas


Reatores com leito fixo ou fluidizado

1. Adsoro (interaes eletrostticas, ligaes inicas e ligaes covalentes parciais)

Limitao: Influncia do meio na capacidade de reteno das clulas ao suporte (concentrao inica, pH, e idade da populao celular)

Suportes comerciais utilizados no mtodo de adsoro

Nome

comercial Material Dimetro (mm )

Densidade

(g/mL) Clula

Cytodex

dextrana 0,20 1,04 Mamfero

Cytopore Celulose 0,23 1,03 Mamfero e

microrganismo

Cytoline

Polietileno e slica 2,0 a 2,5 1,03 a 1,3 Mamfero e

microrganismo

Siran

Vidro poroso 1,0 a 2,0 1,6 microrganismo


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(I.2) C lulas imobilizadas em suportes Reatores com leito fixo ou fluidizado

Mtodos de imobilizao

2 . Ligao covalente (suporte com grupamento qumico responsvel pela imobilizao da clula ao suporte) silanizao de esferas de vidro ( 100 a 500 m) seguida de reao com glutaraldedo .

Suporte - O- Si- C- C- C- NH 2

O

O

Suporte - O- Si- C- C- C- N- C- C- C- C- C

O

O

H O O

H

Tratamento com - aminopropil - trietoxisilano (APTS)

Tratamento do aminoalquil - suporte com glutaraldedo

Interao da carbonila do suporte com aminas da parede celular



(100 a 500 micra)

Limitao: Potencial toxicidade do sistema devido ao Glutaraldedo



3. Envolvimento - Imobilizao de clulas vivas

Confinamento de uma populao celular em uma matriz

polimrica formadora de um gel hidroflico. Os poros da matriz

formada so menores que as clulas contidas em seu interior.

Meio Substrato Produto

Materiais mais utilizados para partculas de gel so os polmeros naturais:

Agar K- carragena

Alginato Pectina



Mais usado!!

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Agitador magntico

Polissacardeo + Clulas

Partculas contendo clulas

imobilizadas

Soluo de KCl ou CaCl 2 0,05 a 0,5M

Imobilizao de clulas por envolvimento em gel hidroflico induzida por Ca 2+ e K +

Soluo do polmero em gua 1 a 4%

Partculas com dimetro de 0,5 ou 5 mm e densidade populacional de at cerca de 250 mg de biomassa

seca g - 1 de matriz




3. Envolvimento -

Vantagens:

a) Facilidade

b) Baixssima toxicidade

c) Alta capacidade de reteno celular

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3. Envolvimento

Desvantagem:

Limitao imposta pela difuso intraparticular de substratos e

produtos metablicos

Para minimizar os efeitos, deve - se otimizar:

O tamanho da partcula;

A difusividade das espcies atravs da matriz polimrica

Concentrao celular na partcula


(I .2 ) Clulas / enzimas imobilizadas em suportes Reatores com leito fixo ou fluidizados

O confinamento celular permite a utilizao de

biorreatores de configuraes bastante diferenciadas .

A maior parte dos biorreatores estudados para sistemas

de clulas imobilizadas consistem - se de colunas

operadas continuamente , contendo leito fixo ou

fluidizado das partculas com as clulas imobilizadas .


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(I.2) C lulas / enzimas imobilizadas em suportes


Clulas ou enzimas so imobilizadas em grandes partculas slidas ou

gelatinosas formando pacotes . O meio adicionado ou bombeado

atravs da coluna preenchida com partculas onde esto aderidas ou

aprisionadas as clulas que vo converter o substrato em produto .

Suportes slidos : clulas se aderem na superfcie

Partculas de gel : clulas aprisionam -se na rede de polmero (melhor

reteno e maior rea efetiva superficial para imobilizao)





Biocatalisador imobilizado em um

suporte inerte ( alginato , K- carragena ,

pectina, cermica, vidro, slica etc ) .

Finalidade : manuteno de elevadas

concentraes celulares, podendo - se

atingir, consequentemente, elevadas

produtividades no processo em questo



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(I.2) C lulas / enzimas imobilizadas em suportes Reatores com leito fixo

Aplicaes :

-Tratamento de resduos (suportes slidos filtros biolgicos)

-Produo de enzimas (suportes gelatinosos)

-Biotransformao de esterides

- Produo tradicional de vinagre!




Reatores com leito fixo : produo de vinagre

Mistura de soluo de lcool acidificado com cido actico e nutrientes para o crescimento de bactrias produtoras do cido actico e inculo de espcies de Acetobacter . 25 -30 0C. necessrio sistema de controle de temperatura e o vinagre produzido em 10 dias por este mtodo.

Bacilo G - Aer bio


Raspas de madeira

Grades de madeira

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Vantagens:

-Fcil recuperao do produto

Desvantagens:

-Deficincia na transferncia de O 2 e nutrientes;

-Entupimento (crescimento das clulas) e alteraes de fluxo (caminhos

preferenciais);

-Homogeneizao prejudicada;

-Com o tempo h perda por lavagem de clulas aderidas ou aprisionadas



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Departamento de Hidrulica e Saneamento - SHS, da Escola de Engenharia de So Carlos - EESC/USP

http://www.finep.gov.br/Prosab/1_esgoto_usp.htm

Desenvolvimento de Reator Horizontal de Leito Fixo para Tratamento de Esgotos Sanitrios.

Reator anaerbio de leito fixo Biomassa imobilizada em Espuma de poliuretano




Podem ser definidos como grandes tubos ocos (colunas verticais) dentro

dos quais partculas contendo clulas ou enzimas imobilizadas so

carregadas (at cerca de 70% do volume til) fluidizadas ou expandidas

atravs de um dos mecanismos:

1) Gs inerte (N2 ou CO2) ou ar atmosfrico inserido na base da coluna;

2) Reciclo parcial do efluente da coluna;

3) Movimentao interna do fluido promovida por agitao mecnica


Adsoro ou envolvimento

Eventualmente: prprio gs carbnico formado durante o processo

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Movimentao interna do fluido promovida por agitao mecnica.



Conforme o gs passa pelo distribuidor, o

meio contendo as partculas slidas se agita

fazendo com que tenhamos um fluxo (Leito

empacotado) .

Se esse fluxo alcana uma certa velocidade

as partculas slidas se dispersam no lquido

e se tem o leito fluidizado .

Muito usado na indstria petroqumica .

http://www.nationmaster.com/encyclopedia/Fluidized - bed - reactor

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=qM5ZMqhb8bypGM&tbnid=keY9g071DF3vzM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/conteudo/3962-reatores-de-leito-fluidizado/&ei=C85eUeDfCYzA9QSWmYH4Ag&bvm=bv.44770516,d.dmQ&psig=AFQjCNHru5_TZ7yICCFZZD4kLpIQAD8tGg&ust=1365252681557486

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Vantagens:

- Alta taxa de transferncia e homogeneizao;

-Baixo atrito;

-Fcil recuperao do produto (no precisa separar as clulas)

-No h problemas de entupimento como leito fixo

-Boa produtividade volumtrica (maior que leito fixo e tanques

agitados)





O reator foi construdo em ao carbono zincado a quente , com dimetro da base de 1 ,50 m e 15 ,0 m de altura , tendo como material do leito , partculas de carvo ativado granulado . Foi utilizado , para receber e tratar cerca de 40 % da vazo dos esgotos gerados no Campus I da USP, de So Carlos - SP. As fotos apresentam este reator e uma partcula ( recheio ) de carvo ativado , mostrando o seu aspecto na fase de aderncia de microrganismos para a formao do biofilme .

Biofilme no carvo


biorreatores e processo fermentativos ifsc

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