Arquivo sobre Biorreatores, Resumos de Biotecnologia

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SUMÁRIO

• 1 INTRODUÇÃO
• 2 E O QUE SÃO BIORREATORES?
• 3 PROCESSO FERMENTATIVOS
• 4 TIPOS DE SISTEMAS DE BIORREATORES
  • 4.1 Reator de tanque agitado (STR)
  • 4.2 Air Lift
  • 4.3 Open Pond
  • 4.4 Biofilme...............................................................................................
  • 4.5 Biostat
  • 4.6 Fotobiorreator
  • 4.7 Biorreatores de Fluxo pistonado
  • 4.8 Biorreatores estáticos
  • 4.9 Biorreatores confinados......................................................................
  • 4.10 Biorreatores de fase não aquosa
• 5 FORMAS DE CONDUÇÃO DO PROCESSO FERMENTATIVO
  • 5.1 Processos Fermentativos
  • 5.2 Processo Descontínuo
  • 5.3 Processo Descontínuo Alimentado
  • 5.4 Processo Semicontínuo......................................................................
  • 5.5 Processo Contínuo
• 6 CONSIDERAÇÕES SOBRE BIORREATORES........................................
• FERMENTATIVOS 7 CONSIDERAÇÕES SOBRE CINÉTICA DE PROCESSOS
  • 8 BIBLIOGRAFIA

de produtos, como: enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidos orgânicos, solventes e tratamento de resíduos. Uma grande variedade de matérias-primas, geralmente provenientes da agroindústria, são utilizadas como fonte (s) de substrato (s) e outros nutrientes. De uma forma geral, as matérias-primas de bioconversões podem ser agrupadas em função da estrutura e da complexidade molecular dos substratos. A escolha dos nutrientes adequados à geração do produto de interesse está relacionada à atividade metabólica desenvolvida pelos micro-organismos. Nesse ponto, destaca-se a importância das informações obtidas sobre as exigências nutricionais da população microbiana envolvida no processo. Torna-se necessário, então, utilizar fontes adequadas, isto é, que possuam os componentes necessários ao bom desempenho do micro-organismo. Assim, é preciso fortificar a matéria-prima com os componentes que faltam e retirar aqueles que inibem, de modo a permitir uma rápida e eficiente conversão do substrato em produto com o rendimento desejado. 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.^1 2 O QUE SÃO BIORREATORES? São equipamentos capazes de transformar matérias-primas (substratos) em produtos, utilizando agentes biológicos como células, enzimas ou micro-organismos. Essa transformação normalmente dá origem a um processo fermentativo. (^1) Texto extraído do link: https://pt.wikiversity.org/wiki/Aula_5_-_Bioreatores

Grande parte dos biorreatores são usados em processos fermentativos, seja em escala laboratorial, planta piloto ou industrial (Figura abaixo) e tratam-se de frascos/recipientes passíveis de serem controlados quanto a temperatura, pressão, pH, agitação, espuma e outros parâmetros. Dentre esses parâmetros, a temperatura garante que o microrganismo selecionado cresça de maneira adequada e também pode ser uma forma de indução para obter um produto de interesse como uma proteína, por exemplo. O pH também se faz fundamental, pois interfere no crescimento celular e no rendimento do processo e por isso é ideal que seja bem estabelecido. A agitação, por outro lado, tem o papel de garantir uma boa transferência de massa e calor, mantendo o meio homogêneo ao longo do processo fermentativo. Lembrando que cada parâmetro será ajustado conforme a necessidade e características do processo! Fonte: profissaobiotec.com.br Cada processo fermentativo apresenta uma série de etapas, cuja finalidade é a obtenção de produtos de interesse. E a biotecnologia tem um papel primordial nesse processo, uma vez que ela está presente em todas as fases, desde a escolha do agente biológico e da manipulação genética (se necessária) à otimização dos parâmetros de cultivo e das etapas de purificação. Na Figura abaixo você pode ver um exemplo genérico dos passos necessários para que o processo ocorra.

O modelo mais utilizado industrialmente é o biorreator agitado mecanicamente, devido às facilidades para trabalhar com microrganismos comumente conhecidos como Saccharomyces cerevisiae. Nele, a homogeneização do meio se dá por meio de um motor de agitação e é possível acoplar sistemas de controle de pH, espuma e temperatura, indispensáveis para o processo. Confira a

representação abaixo:

Fonte: profissaobiotec.com.br No esquema abaixo, é possível perceber que a produção de glutamato monossódico é um processo fermentativo, que utiliza como matéria-prima a cana de açúcar e micro-organismos de interesse que são capazes de produzir esse sal e liberá-lo para o meio fermentativo, que, posteriormente, passará por etapas de purificação até obtenção dos cristais – produto final.

2 Fonte: profissaobiotec.com.br 3 PROCESSO FERMENTATIVOS •Substratos solúveis que podem ser facilmente extraídos produto (s) como por exemplo, sacarose, glicose, frutose e lactose, provenientes de cana-de-açúcar, beterraba, melaço, soro de leite. •Substratos insolúveis, que precisam de tratamento moderado para solubilização e hidrólise, antes da conversão em produto (s) como por exemplo, amido de milho, mandioca, trigo, cevada, batata. •Substratos insolúveis muito resistentes, que necessitam de pré-tratamento físico, seguido de hidrólise química ou enzimática para produzir substratos na forma monomérica a ser convertidos em produto (s) como, por exemplo, celulose e hemicelulose. Se torna necessária o fornecimento de fontes de energia para os micro- organismos.

• A adenosina-trifosfato (ATP) é o composto mais importante nas transformações de energia das células. As bactérias e as algas fotossintéticas podem utilizar a energia da luz para formação de ATP; as bactérias autotróficas podem gerar (^2) Texto extraído do link: http://profissaobiotec.com.br/biorreatores-como-eles-funcionam/

altura, uma série de turbinas, as quais podem ser de diferentes tipos. Em sua estrutura são acoplados sistemas controladores por meio de sensores (temperatura ou pH) e sondas. Devem possuir também um sistema de controle de espuma, normalmente se usa um quebra-espuma logo acima do líquido. Fonte: pt.wikiversity.org Fonte: pt.wikiversity.org 4.2 Air Lift Este reator tem uma tubulação onde o ar está sendo bombeado, o ar sobe, e o líquido desce, realizando assim o processo de agitação, promove movimentação cíclica do fluido usando um cilindro central em cuja base é inserido o ar. Esse reator não é muito fácil de ser escalonado por ter sua forma vertical, o que dificulta aumento do seu tamanho. Este biorreator é de extrema simplicidade, baixo investimento com menor consumo de energia, adaptação mais fácil ao cultivo de células sensíveis devido a menor tensão de cisalhamento. Outro biorreator utilizado dessa maneira é o de coluna de bolhas, que 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.

Fonte: researchgate.net Fonte: commons.wikimedia.org 4.3 Open Pond É uma lagoa (piscina) composta basicamente de canais independentes de circuito fechado de recirculação, onde o fluxo gerado pela turbina é guiado em torno das curvas. É um sistema simples e fácil de escalonar, precisamos de uma marquise no meio com sistemas de pás, que fará o sistema circular. São tanques de fácil manutenção, o qual permite a limpeza do biofilme acumulado na superfície.

4.5 Biostat Eles são descartáveis, o produto utilizado é plástico. Não é necessário limpar o sistema o que reduz bastante o custo de produção, se o plástico não for tão caro. Possui tanque agitado escalonável, com recipiente de utilização e sensores de pH. Fonte: pt.wikiversity.org 4.6 Fotobiorreator Este biorreator é formado por um sistema de canos de vidro ou plásticos o que irá favorecer a penetração de luz, possui formato tubular, normalmente “finos” para otimizar a transferência de luz as células, evitando “sombreamento” das células mais profundas do cultivo, com disposição verticais e horizontais, onde o custo de seu escalonamento é menor porque podemos aumentá-lo na horizontal. Eles podem ser instalados em ambientes fechados, recebendo iluminação artificial, ou ser dispostos ao ar livre, recebendo energia solar. Os tubulares podem ter sistema formado por serpentina ou espirais.

Fonte: microalgasprofessoravera.blogspot.com 4.7 Biorreatores de Fluxo pistonado Nos 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”). 4.8 Biorreatores estáticos 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. Podem ser caracterizados em dois tipos: Leito fixo e leito fluidizado. Os de Leito fixo não há movimentação da partícula (pellets) nas quais o biocatalisador está imobilizado. Nos 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;

Bandejas: 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. Agitado (rotatório): Os Reator tipo Tambor rotativo apresentam uma melhor transferência de oxigênio e homogeneização do meio através da agitação. Leito fixo: Leito fixo caracteriza-se pela passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas. Leito fluidizado: 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.^3 Fonte: pt.wikiversity.org Fonte: pt.wikiversity.org (^3) Texto extraído do link: https://pt.wikiversity.org/wiki/Aula_5_-_Bioreatores

5 FORMAS DE CONDUÇÃO DO PROCESSO FERMENTATIVO

DESCONTÍNUO:

Com um inoculo Com recirculação de células. SEMICONTÍNUO: Sem recirculação de células; Com recirculação de células. DESCONTÍNUO ALIMENTADO: Sem recirculação de células; Com recirculação de células. CONTÍNUO: Executado em um reator (com ou sem recirculação de células; Executados em vários reatores (com ou sem recirculação de células. 5.1 Processos Fermentativos As formas básicas de condução de um processo fermentativo são o descontínuo e o contínuo. Descontínuo alimentado e Semicontínuo são formas desenvolvidas a partir das formas básicas com o objetivo de contornar problemas inerentes a estes processos. As diferenças entre as formas de operação podem ser bem entendidas em relação a variação do volume do cultivo, da massa total e das concentrações de células, substrato e produto em função do tempo. As diferenças são caracterizadas principalmente pelas diferentes formas de adição do substrato e dos nutrientes.

Vantagens:  Apresenta menor risco de contaminação (comparado ao contínuo);  Grande flexibilidade de operação, podendo-se usar os fermentadores para a fabricação de diferentes produtos;  Condições de controle mais estreitas da estabilidade genética dos microrganismos. Desvantagens:  Se o substrato exercer efeito de inibição, poderá ocorrer baixos rendimentos e/ou produtividades.  Apresenta “tempo morto”, tempo em que o fermentador não está sendo usado no processo fermentativo propriamente dito, como tempo de carga, descarga e lavagem. Aplicações:  É o mais utilizado na indústria de alimentos e bebidas, como: iogurte, cerveja, vinho, picles, chucrute, etc.  Permite o conhecimento básico da cinética de fermentação, para que se possa propor alternativas de condução de processo. Tipos de inóculo usados em processos descontínuos:  Com um único inóculo por fermentação;  Com reaproveitamento de células para o inóculo;  Com inóculo por sistema de corte. Com um único inóculo por fermentação:

Fonte: docplayer.com.br  Propagado a partir de uma cultura pura.  Oferece poucos riscos de contaminação. Fonte: docplayer.com.br Com reaproveitamento de inóculo:  É utilizado como inóculo as células da fermentação anterior. (Para isso pode-se utilizar parte do meio de fermentação ainda homogêneo, esperar que o microrganismo sedimente no fermentador ou ainda centrifugar o meio fermentado).  Há uma tendência em aumentar o número de contaminação a cada fermentação.  Técnica comum em destilaria de álcool. Com reaproveitamento de células para inóculo: