Biorreatores e Processos Fermentativos
Aula 4 – Profa. Dra Ilana L. B. C. CamargoCiências Físicas e Biomoleculares
IFSC - USP
Processo “Upstream”
Biorreatores e biorreação
Processo “Downstream”
Biotecnologia do bioprocesso tem três estágios:
Parte I
Bioprocesso – aplicação industrial de reações ou vias biológicas
mediadas por células vivas inteiras de animais, plantas ou
microrganismos, ou enzimas sobre condições controladas para a
biotransformação de matérias primas em produtos.
Produto – alimento, medicamento ou composto industrial
Bioprocesso também pode ocorrer sem resultar em um produto
direto – biorremediação, desintoxicação de resíduos ou de efluentes
com ou sem subproduto ou derivados
Escala laboratorial Escala industrial
Estágios do processo produtivo
Biorreatores, reatores bioquímicos, reatores biológicos são os
reatores químicos nos quais ocorrem uma série de reações
químicas catalisadas por biocatalisadores
Enzimas Células vivas
Reatores enzimáticos Biorreatores
Reatores bioquímicos Reatores Biológicos
Biorreatores
Sistema não asséptico – onde não é absolutamente necessário
se operar com culturas inteiramente puras (sistemas de
descarte de efluentes);
Sistema asséptico – onde as condições de assepsia são pré-
requisitos para a formação do produto com sucesso;
Nem todo processo de fermentação precisa ser livre de contaminações!!
Antigamente, a maceração das uvas era feita com os pés!!
Produção caseira dos vinhos
http://www.viagemesabor.com.br/noticias/roteiros/br /norte/para/marajo
Nem todo processo de fermentação precisa ser livre de c ontaminações!!
Queijo de leite de búfala
Tanque de maceração das uvasProdução de vinhos
(Hoje: prensa hidráulica)
Quanto mais controle se tem sobre o processo de fer mentação, maior é a facilidade em se manter a qualidade e garantir a re produção do processo.
Produção artesanal de queijo, vinho, vinagre, iogur te e cerveja, muitas vezes eram processadas satisfatoriamente, mesmo sob condições
precárias de assepsia
Dióxido de enxofre (conservante)
Hoje: prensa hidráulica
Maceração das uvas
Biorreator ou fermentador
Biorreator ou fermentadorVariação em forma e tamanho dependendo da aplicação
O design do biorreator depende de um número de fato res que incluem:
-Tipo de células-Tipo de reação metabólica-Informação sobre a transferência de massa e calor-Viscosidade e homogeneização
Tamanhos:
-Frascos agitados (erlenmeyers): 100 – 1.000 mL-Fermentadores de bancada: 1 L – 30L-Fermentadores piloto: 100 – 1.000 L-Fermentadores industriais: 1.000 – 1.000.000 L
Também podem ser bandejas, garrafas (fermentação só lida), colunas (imobilização células ou enzimas)
Biorreator de bancada
http://www.faperj.br/boletim_interna.phtml?obj_id=3930
Escala laboratorial~1L
Biorreator ou fermentador
Biorreator ou fermentador
1943 – EUA, Primeira planta industrial de fermentaçã o para produção de
penicilina em fermentadores de aço-carbono de 54 m 3
•Reatores em aço-carbono
•Sistemas de agitação e aeração
•Fundo e tampa torriesféricosesterilizáveis
•Entrada para a adição de inóculo
•Antiespumante
•Coleta de amostras
•Descarga e saída dos gases formados durante a fermentação, etc.
Biorreator ou fermentador
Padrões de materiais usados nos fermentadores sofisticados:
� Todos os materiais que estão em contato com as soluções ou com a
cultura do organismo devem ser resistentes à corrosão para prevenir a
contaminação do processo com traços de metais;
� Não podem ser tóxicos pois se houver alguma dissolução do material
ou componente não haverá inibição do crescimento da cultura;
� Materiais precisam suportar repetidas esterilizações por vapor em alta
pressão;
� O sistema de agitação, portas de entrada e de saída devem ser rígidas
o suficiente para não deformar ou quebrar sob estresse mecânico;
� Inspeção visual do meio e cultura é uma vantagem, por isso deve haver
materiais transparentes quando possível
Biorreator ou fermentadorSistema de agitação
Agitadores: turbinas
Sonda pH
Sonda oxigênio dissolvido
Camisa deresfriamento
Reator agitado mecanicamente(STR: stirred tank reactor)
Estudo atual
Aumento de escala
12 Kg ���� 800 Kg
http://www.cetem.gov.br/publicacao/CTs/CT2005-084-00.pdf
Serpentinas
Capacidade dos biorreatores de escala industrial
1- Pequena escala: 1 a 2 m 3 de capacidade – cultivo de microrganismos
patogênicos, ou para crescimento de células animais ou vegetais. Em geral, seu
uso tem como objetivo produtos ligados à área de saúde
2 – Escala intermediária: dezenas de metros cúbicos até 100 a 200 m 3 –
especificamente empregado na produção de enzimas, antibióticos e vitaminas.
3- Grande escala: reatores com milhares de metros cú bicos de capacidade -
para processos que exigem poucos ou até mesmo nenhum cuidado de assepsia:
fermentação alcoólica ou do tratamento biológico de resíduos
1- O reator deve ser capaz de manter-se estéril por muitos dias, trabalhar sem
problemas por longos períodos e satisfazer todas as exigências legislativas de
contenção ambiental;
2- As exigências metabólicas dos microrganismos, quanto a aeração e agitação,
devem ser plenamente satisfeitas, mantendo porém a integridade física dos
mesmos;
Para satisfazer a função primária de fermentação, q ue é a de fornecer condições ambientais adequadas ao crescime nto dos
microrganismos, 12 pontos devem ser observados:
6- Um sistema de tomada de amostras à prova de contaminação do conteúdo
do fermentador deve ser parte integrante do equipamento
3- A potência absorvida deve ser a menor possível;
4- Um eficiente sistema de controle de temperatura deve estar disponível;
5- Um sistema de controle de pH deve estar disponível;
7- Perdas por evaporação devem ser mantidas ao mínimo;
8- Eficiente sistema de controle dos gases e saída do fermentador devem estar
disponíveis;
Para satisfazer a função primária de fermentação, q ue é a de fornecer condições ambientais adequadas ao crescime nto dos
microrganismos, 12 pontos devem ser observados:
10 – O reator deve preencher, sempre que possível, a característica de multi-
propósito, contudo, a regulamentação de contenção ambiental e a possibilidade de
contaminações cruzadas podem ser fatores limitantes
9 - O reator deve exigir o mínimo em mão-de-obra para sua operação, limpeza e manutenção;
11- O reator deve ter as superfícies internas polidas e todas as suas conexões, na
medida do possível, devem ser soldadas e não rosqueadas;
Para satisfazer a função primária de fermentação, q ue é a de fornecer condições ambientais adequadas ao crescime nto dos
microrganismos, 12 pontos devem ser observados:
12- Na medida do possível, o reator deve manter uma geometria similar à dos
reatores menores ou maiores, a fim de facilitar a ampliação de escala do processo.
Fermentação microbiana: um sistema de três fases
1. Fase líquida: contém sais, substratos e metabólitos dissolvidos. Pode também possuir substrato imiscível em água;
2. Fase sólida: consiste nas células, substratos ou produtos insolú veis;
3. Fase gasosa: oxigênio, CO 2
1 - Oxigênio
2 - Temperatura
3 - pH
Fatores importantes:
Entrada de Inóculo
meios/nutrientesanti-espumante
Sistema de aeração
Sistema de colheita
de amostras
Sistema de agitação
Sondas para determinação de
pHpO2
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
1- Oxigênio
Processos aeróbios têm destaque na Biotecnologia Industrial, pois
estão envolvidos no cultivo de microrganismo para produção de
antibióticos, enzimas, vitaminas, fermentos e inoculantes, proteínas
recombinantes (hormônios, insulina), etc.
Processos fermentativos envolvendo cultivo de células aeróbias ou
aeróbias facultativas visando formação de produtos ou tratamento
biológico de águas residuárias têm em comum o aspecto de exigirem
um adequado dimensionamento do sistema de transferê ncia de
oxigênio (fase gasosa ���� fase líquida)
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
1- Oxigênio
(Tortora, Funke & Case, 2000)
Último elemento a aceitar elétrons
Permite:
- Armazenamento de energia – ATP;
- Reoxidação das coenzimas que participam
das reações de desidrogenação.
NADH
NADH
NADH
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
Diagrams:
Prokaryotic Mariana Ruiz
Binary Fission, JW Schmidt6
Participam das reações de síntese de
moléculas levando à sobrevivência
das células e ao surgimento de novas
células no processo de proliferação da
biomassa microbiana, para a qual a
energia é fundamental.
1- Oxigênio C6H12O6 + 6O2 � 6CO2 + 6H2O
Para a oxidação de 1 mol de glicose, é necessário o consumo de 6 mols de O2
Glicose é bastante solúvel, já O2 é pouco solúvel em água.
A concentração de oxigênio dissolvido na saturação é apenas da
ordem de 7 mg O2/L (7ppm), ao se borbulhar ar atmosférico à
pressão de 1 atm e a 35oC.
Nada adianta alimentar o biorreator se não houver um ótimo
sistema de transferência de oxigênio
http://www.pptechnologygroup.com/cfd_engineering.htm
- Transferência entre fases gasosa e aquosa;
- Oxigênio dissolvido deve chegar às células;
- Oxigênio deve penetrar nas células;
- Oxigênio deve ser consumido na reação
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
1- Oxigênio Em reatores não aerados, o oxigênio étransferido do espaço livre acima do líquido.
A agitação quebra continuamente a superfície do líquido e aumenta a área de transferência.
O efeito da velocidade de agitação na entrada do gás em um biorreator de 2 L :
300 rpm 450 rpm 750 rpm
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
1- Oxigênio Chicanas/BafflesAumentam a turbulência e assim, melhoram a oxigenação do meio
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
Análise computacional de dinâmica de fluxos
1- Oxigênio Chicanas, quebra vórtice ou “baffles”
Aumentam a turbulência e assim, melhoram a oxigenação do meio
Normalmente:
4 chicanas equidistantes
Largura: 10% do diâmetro do reator
Devem ser fixadas a 1 ou 2 cm do corpo do
fermentador para evitar zonas de estagnação
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
1- Oxigênio Chicanas afastadas da parede do biorreatorEvita zonas de estagnação
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
Co
Co 1
t0 t1
Co
Concentração de Oxigênio dissolvida aumenta com a agitação
Concentração de O
2
Tempo
1- Oxigênio
Quando a velocidade de agitação é pequena, as bolhas não serão quebradas tendendo a subir direto para a superfície. Além disso, irão se acumular no eixo do agitador, coalescendo e diminuindo a transferência de oxigênio.
Quando a velocidade de agitação é grande, as bolhas pequenas irão circular por todo o reator e terão o seu tempo de residência aumentado.
Devagar rápida
Injetar ar esterilizado
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
kLa diminui com o aumento do volume do
líquido
kLa aumenta com a área superficial do
líquido
kLa é maior quando as pequenas chicanas estão
presentes
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
1- Oxigênio
Métodos para aumentar a taxa de transferência de
oxigênio (kLa) no sistema:
Métodos para aumentar a taxa de transferência de oxigênio (kLa)
no sistema:
-Aumento da pressão;
-Aumento da concentração de O2 no ar inserido no reator;
-Aumento da agitação;
-Aumento do fluxo de ar;
-Redução de espumas e remoção de bolhas de ar da superfície.
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
Biorreator ou fermentadorSistema de Controle de espuma
Formação excessiva de espuma pode:
1. Bloquear os filtros de saída de ar;2. Aumentar a pressão do biorreator
O controle é feito com a adição de agentes antiespum antes baseados em silicone ou óleos vegetais que desestabilizam a es puma pela redução da tensão superficial.
ON-OFF. Uma parte fica no meio e a outra acima do nível do líquido. Quando a espuma atinge a superfície do sensor que está em cima, existe a produção de uma corrente elétrica que é detectada pelo controlador, resultando na ativação da bomba.
•Meio de fermentação: meios ricos em proteínas tendem a formar mais espuma. Muitas células produzem moléculas tipo detergente (ácidos nucléicos e proteínas excretadas após lise das células ou compostos lipídicos produzidos durante o crescimento);
•Taxa de aeração e velocidade do agitador (↑,↑ formação de espuma);
Fatores que favorecem a formação de espuma:
Biorreator ou fermentador
Sistema de Controle de espuma
Fatores que auxiliam na diminuição da formação da espuma:
• O volume livre no reator: em sistemas nos quais a espuma é formada facilmente, o volume de trabalho deve ser reduzido para facilitar o controle de espuma. Quanto maior o volume livre, maior a probabilidade da espuma colapsar por causa do seu próprio peso;
Biorreator ou fermentador
Sistema de Controle de espuma
• Temperatura do condensador: em reatores de laboratório, uma temperatura mais baixa pode ajudar no controle da espuma. A densidade da espuma aumenta quando ela se move de uma região mais quente para a região fria do condensador, causando o colapso da espuma;
• Quebradores mecânicos de espuma: agitador de alta velocidade. A bolha épuxada para o agitador e colapsa por ação de forças mecânicas. Em pequenos reatores de laboratório são utilizados quebradores ultrasônicos, que geram vibrações de alta frequência responsáveis por quebrar as bolhas da espuma
Fatores que alteram a aeração de uma cultura microbiana
Geometria do biorreator
Wi
Li
DiC
HL
DT
WB
Geralmente cilíndricos. São construídos em dimensões padrão publicadas pela International Standards Organisation e
British Standards Institution.
Reatores do tipo STR, em geral:
-Tanque cilíndrico
-Relação de altura:diâmetro (H:D)
2:1 ou 3:1
Wi
Li
DiC
HL
DT
WB
Di = Diâmetro do impelidor (m)DT = Diâmetro do tanque (m)HL = altura da coluna do líquido (m)C = distância do impelidor ao fundo do reator (m)Wi = altura da pá da turbina (m)WB = altura da chicana (m)
Esquema de tanque agitado por turbinas de pás planas, com indicação de dimensões importantes
na transmissão de potência ao líquido
Máxima potência com mais de um impelidor:
Di < Hi < 2Di
Hi = distância entre impelidores
Número de impelidores para uma máxima transferência de potência
> N˚Impelidores >HL – Di
Di
HL – 2Di
Di
Geometria do biorreator
1E/WDistância média entre o impelidor e a saída de gás e
altura da pá
0,25L/DaLargura da pá do impelidor e diâmetro do impelidor
0,2W/DaAltura da pá do impelidor e diâmetro do impelidor
~0,08 – 0,1Db/DtDiâmetro das chicanas e diâmetro do tanque
Reatores com turb. Rushton são geralmente 1/3 do diâmetro do tanque. Os de fluxo axial são
maiores
1/3 – 1/2Da/DtDiâmetro do impelidor e diâmetro do tanque
Reatores europeus tendem a ser mais altos que os projetados nos
EUA~ 1 - 2Ht/DtAltura do reator e diâmetro do tanque
Depende do nível de espuma produzido durante a fermentação
~ 0,7 - 0,8Ht/HlAltura do líquido do reator e altura do reator
OBSValoresTípicos
Razão
Geometria do biorreator
Geometria do biorreator
Fluxos: Axial e Radial
Geometria do biorreator
Fluxo axial: o líquido é dirigido para a base do reator, isto é, paralelo ao eixo do agitador. São deficientes em gerar turbulência e quebra das bolhas de ar, o que os tornam indesejáveis para cultivos aerados.
Algumas marcas comerciais:Impelidor Lightnin 320, ImpelidorKPC – KROMA, Impelidor Pitched
Impelidor Lightnin �
Geometria do biorreator
No fluxo radial, o líquido é inicialmente dirigido a parede do reator, isto é, ao longo do raio do tanque. Não é tão eficiente quanto o fluxo axial . Maior quantidade de energia é necessária para gerar o mesmo fluxo que o axial;
Algumas marcas comerciais: tipo Arrowhead, de pás curvas, de pás retas verticais, Impelidor Rushton, ImpelidorSmith.
2- Temperatura
A reação que ocorre no biorreator pode ser exotérmica ou endotérmica ,
por isso, os equipamentos deve ser equipados com um sistema de
transferência de temperatura.
- Sistema de circulação de vapor e água quente podem aquecer o sistema
e também pode ser útil para esterilização do biorre ator antes do início do
processo da fermentação;
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
2- Temperatura
Para o resfriamento de culturas, o
biorreator pode possuir uma camisa ou
serpentina de resfriamento por onde
podem passar água, por exemplo, com
temperaturas menores.
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
3- pH
No biorreator deve haver um sistema de determinação de pH
assim como uma entrada para balancear a reação com
ácido/base que não ofereça nenhum risco de contaminação
para o sistema.
Temperatura e pH também ficam mais homogêneos com a agitação
Fatores físico-químicos que devem ser considerados em uma fermentação industrial
Importância da agitação e mistura
Agitação adequada é essencial pois proporciona os seguintes efeitos nas três fases:
1- Dispersão do ar no meio de cultivo
2- Homogeneização para igualar a temperatura, pH e concentração de nutrientes
3- Suspensão dos microrganismos e dos nutrientes sólidos
4- Dispersão de líquidos imiscíveis
Importância da agitação e mistura
Quanto maior a agitação, melhor será o crescimento?
CUIDADO!!
Agitação excessiva pode romper as células e
aumentar a temperatura o que ocasiona uma
redução na viabilidade celular!!
Deve-se buscar o equilíbrio entre a necessidade
de mistura do meio evitando-se o dano celular.
1. Sistema de agitação;
2. Sistema de distribuição de O2;
3. Sistema de controle de espuma;
4. Sistema de controle de temperatura;
Características básicas de biorreatores
5. Sistema de controle de pH;
6. Portas de amostragem;
7. Sistema de limpeza e esterilização;
8. Linhas para esvaziar o biorreator.
Bibliografia
Schmidell W, Lima UA, Aquarone E, Borzani W. Biotecnologia Industrial: Engenharia Bioquímica. Volume 2. Ed Edgard Blücher LTDA, São Paulo, 2001. Cap. 8
Smith JE. Biotechnology. 4th ed. Cambridge University Press, 2004. Cap. 4
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