O documento descreve diferentes tipos de biorreatores, incluindo sua definição, introdução e classificação. Os principais tipos de biorreatores descritos são agitados mecanicamente, agitados pneumaticamente, de fluxo pistonado e estáticos. O documento também fornece detalhes sobre como cada tipo funciona e exemplos de configurações.

1. ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
EEL / USP
TIPOS DE BIORREATORES
Novembro de 2009

2. Definição
Reatores químicos nos quais ocorrem
reações catalisadas por “Biocatalisadores”.
Enzimas Células vivas
Microrganismos Animais Vegetais

3. Introdução
São os biorreatores mais
conhecidos e utilizados.
São empregados desde a
década de 40 para a
produção industrial para uma
grande diversidade de
produtos, como: enzimas,
antibióticos, vitaminas, ácidos
orgânicos, solventes e
tratamento de resíduos.
Células vivas
Microrganismo

4. Os biorreatores são concebidos em função do tipo
de processo e dos agentes biológicos empregados.
Podem possuir características bem distintas no
que se refere a fenômenos de transporte (calor, massa
e quantidade de movimento).
Introdução

5. Exemplos:Exemplos:
Tipo de microrganismos:
Leveduras e bactérias X Fungos filamentosos
Tipo de biocatalisador:
Microrganismos X Células animais ou vegetais
Tipo de processo:
Elevada concentração celular
Introdução

6. Cerca de 90 % dos reatores
utilizados industrialmente são do tipo
reator de mistura STR (agitados
mecanicamente).
Há um grande interesse por
outros tipos de reatores, mas a
maioria dos processos ainda se
encontra em escala de bancada ou
semi-piloto.
Introdução

7. A capacidade de um biorreator é bastante
variável, sendo dependente do processo em questão.
» 1 a 2 m3
– cultivo de patogênico ou células animais ou
vegetais. Normalmente para a produção de substâncias
ligadas à saúde.
» 100 a 200 m3
– enzimas, antibióticos e vitaminas.
» Acima de 1000 m3
– processos que exigem pouca assepsia,
como fermentação alcoólica e tratamento biológico de
resíduos.
Introdução

8. Na literatura existem várias formas
possíveis para a classificação de biorreatores,
tais como:
» O tipo de biocatalisador:
Células
ou
Enzimas
Classificação dos biorreatores
Levedura Bactéria Animal Vegetal

9. Na literatura existem várias formas possíveis para
a classificação de biorreatores, tais como:
» A configuração do biocatalizador:
Livres ou imobilizados.
Classificação dos biorreatores

10. Na literatura existem várias formas possíveis para
a classificação de biorreatores, tais como:
» A forma de agitar o líquido no meio:
Mecânica ou pneumática
Classificação dos biorreatores

11. Considerando as várias propostas usualmente
encontradas, foi proposta uma classificação mais
abrangente.
Classificação dos biorreatores

12. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático

13. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático

14. Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
» Um biorreator do tipo STR consiste em um vaso cilíndrico
sendo comuns relações entre a altura (H) e o diâmetro (D) de
1:1, 2:1 ou 3:1.
» Normalmente é equipado com Chicanas (com largura 0,1D),
utilizadas para evitar a formação de vórtice.
O agitador é montado no eixo central,
podendo possuir ao longo de sua altura uma
série de turbinas, as quais podem ser de
diferentes tipos.
Agitados Mecanicamente

15. Agitados Pneumaticamente
Agitados Mecanicamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Turbina RUSHTON Turbina Paddle Agitador em âncora
Agitadores de fluxo Radial

16. Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Agitadores de fluxo Axial
Hélice marinha
Hélice com
fluxo duplo
Hélice com
grandes pás
Agitador com
fita helicóide
Agitados Mecanicamente

17. Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Agitados Mecanicamente
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Funções da agitação:
» Homogeneizar o Meio;
» Dispersar os gases no Líquido
(diminuir o tamanho das bolhas e
melhorar a transferência de
oxigênio).

18. Agitados Mecanicamente
Fluxo Pistonado
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Os reatores agitados pneumaticamente
se caracterizam basicamente pela
ausência de agitador mecânico, sendo o
líquido agitado pelo borbulhamento de
gás (normalmente ar).
Coluna de bolhas “Air-lift”
Apresentam menor tensão de cisalhamento, o que torna atraente
para o cultivo de células animais e vegetais.
A diferença básica entre o reator coluna de bolas e Air-Lift, é que
este último tem movimentação cíclica do líquido (bem ordenado) e o
primeiro apresenta movimentação aleatória.
Agitados Pneumaticamente

19. Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Fluxo PistonadoNos reatores de fluxo pistonado
“plug-flow” o inóculo e o meio são
misturados na entrada do sistema,
sendo que a cultura flui com uma
velocidade constante e em regime
laminar (sem ocorrer mistura
longitudinal, “backmix”).
Há portanto uma variação da
concentração de nutrientes, células e
produto ao longo do comprimento do
reator.

20. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Estático
Caracterizam-se pela ausência de agitação.
Os “reatores de bandejas”, são bastante limitados no que se refere a
condições de transferência de oxigênio e controle das condições
ambientais do processo.

21. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático
Tem o objetivo de manter elevadas concentrações celulares,
consequentemente elevadas produtividades.
Reatores nos quais o biocatalisador se encontra imobilizado
em suporte inerte como por exemplo:
Pectina, materiais cerâmicos, vidro, sílica, etc.,

22. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores Nos reatores de leito fixo não há movimentação da
partícula (pellets) nas quais o biocatalisador está
imobilizado.

23. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Nos reatores de leito fluidizado as partículas (pellets) nas
quais o biocatalisador está imobilizado se movimentam
intensamente.
A fluidização do leito pode ser realizada por:
» Injeção de ar;
» Gás inerte;
» Corrente de recirculação do líquido no reator.

24. Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Estático
Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
ConfinadasBiorreatores

25. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Membranas planas
» Os reatores de células confinadas
caracterizam-se por manterem as células
entre membranas semipermeáveis.
» Permitem o fluxo do líquido, mas não das
células.
» Normalmente eles apresentam separação
entre os fluxos de nutrientes e produtos o
que contribui para as etapas de purificação
de produtos.
» Nestes reatores as tensões de
cisalhamentos são mínimas (menores do
que air-lift). Sendo assim, indicados para
células muito sensíveis.

26. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores

27. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Membranas planas

28. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Estático
Os reatores de fase não-aquosa (Fermentação
semi-sólida), se caracterizam pela ausência de
"água livre" (30 a 80% de umidade).

29. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Os “reatores de bandejas” (“stationary
trays”), são bastante limitados no que se
refere a condições de transferência de
oxigênio e controle das condições
ambientais do processo.

30. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Os Reator tipo Tambor rotativo apresentam
uma melhor transferência de oxigênio e
homogeneização do meio através da agitação.

31. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
Leito fixo caracteriza-se pela passagem de
ar ou gás inerte através de um leito de
partículas sólidas.
Gás

32. Classificação Geral dos Biorreatores
Classificação dos biorreatores
Reatores em
fase aquosa
(submersa)
Reatores em
fase
não-aquosa
(semi-sólida)
Células/Enzimas
Livres
Células/Enzimas
Imobilizadas
Agitados Mecanicamente
Agitados Pneumaticamente
Fluxo Pistonado
Leito Fixo
Leito Fluidizado
Membranas planas
Fibra oca
Células/Enzimas
Confinadas
Estático (Bandejas)
Agitado (Rotatório)
Leito Fixo
Leito Fluidizado (gás-sólido)
Biorreatores
No Leito fluidizado gás-
sólido a fluidização ocorre
com elevada vazão de
gás, o que além de
melhorar a transferência
de massa no sistema
auxilia no controle da
temperatura.
GásGás

33. 1. Natureza do biocatalisador1. Natureza do biocatalisador
» Estabilidade da cepa;
» Aeróbio ou anaeróbio;
» Tamanho e forma das células.
2. Propriedades do meio de fermentação2. Propriedades do meio de fermentação
» Propriedades físicas do substrato (líquido ou sólido);
» Componentes do meio sensíveis ao calor;
» Propriedades reológicas (densidade e viscosidade);
» Formação de espuma.
3. Parâmetros bioquímicos do processo3. Parâmetros bioquímicos do processo
» Taxa de transferência de oxigênio;
» Dependência da temperatura e pH.
Classificação dos biorreatores
Seleção de um Biorreator