Como funciona um biorreator?

A importância dos biorreatores está na sua capacidade de maximizar a eficiência e a eficácia de processos biológicos, permitindo a produção de uma grande variedade de produtos biotecnológicos.

Biorreatores são equipamentos ou sistemas projetados para facilitar e controlar processos biológicos, também podem ser chamados de fermentadores. Essencialmente, eles fornecem um ambiente otimizado para o crescimento e atividade de organismos vivos, como bactérias, fungos, leveduras, células vegetais ou animais.

Com o uso de biorreatores, são proporcionadas condições controladas para a realização de reações biológicas, eles são projetados para manter fatores críticos, como temperatura, pH, concentração de oxigênio, agitação e nutrição, em níveis ideais para o organismo em questão. E podem variar de pequenos sistemas de laboratório a grandes tanques industriais, dependendo da escala e da natureza do processo biológico.

Os biorreatores têm uma ampla gama de aplicações em diversos setores industriais:

• Agricultura e pecuária: produção de biofertilizantes, inoculantes e agentes de controle biológico para pragas. Nutrição animal e vacinas.
• Alimentos e bebidas: fermentação de produtos alimentícios como iogurte, queijo, pão e cerveja. Produção de probióticos, prebióticos, ácidos orgânicos, aminoácidos e enzimas.
• Bioenergia: produção de biocombustíveis, como etanol e biodiesel, a partir de biomassa e bioprodutos como CO2, H2, CH4 para produção de biogás.
• Farmacêutico: produção de antibióticos, vacinas, medicamentos e hormônios.
• Indústria química: cosméticos, enzimas, biopolímeros, glicerol e acetona.
• Meio ambiente: tratamento biológico de águas residuais e resíduos industriais, recuperação de petróleo, biorremediação e biolixiviação.

Escada dos biorreatores

Os biorreatores são divididos em três escalas: bancada, piloto e industrial.

Biorreatores de bancada são pequenos sistemas utilizados principalmente em laboratórios de pesquisa para experimentação e desenvolvimento de processos biotecnológicos. Com capacidades que geralmente variam de 1 até 20 litros, esses biorreatores permitem o controle preciso de condições ambientais como temperatura, pH, oxigenação e agitação, sendo ideais para estudos iniciais de viabilidade e otimização de culturas celulares e microbianas. Esses sistemas ajudam a determinar os melhores parâmetros operacionais para futuras escalas. Temos diferentes modelos de biorreatores de bancada: TEC-BIO-FLEX-II, BIO-TEC-PRO-II, BIO-TEC-TWIN, TEC-BIO-P-30-AIR-LIFT e TEC-BIO-P-3,0-AIR-LIFT-RM.

Os biorreatores piloto são intermediários entre os sistemas de bancada e os industriais, com capacidades que podem variar de dezenas a centenas de litros. Eles são usados para escalar processos desenvolvidos em biorreatores de bancada, permitindo a validação das condições operacionais em um ambiente mais próximo ao industrial.

Esses biorreatores são fundamentais para ajustar e otimizar processos antes da produção em larga escala, identificando possíveis problemas de escala e assegurando que o processo seja economicamente viável e eficiente. Além disso, eles permitem a produção de quantidades maiores de produto para testes adicionais. A Tecnal fabrica biorreatores pilotos, modelo BIO-TEC-PRO-II-PILOTO, com volume de vaso de 25 litros até 2600 litros.

Os biorreatores industriais são grandes sistemas utilizados na produção em larga escala, com capacidades que podem chegar a dezenas de milhares de litros. A produção industrial utiliza esses biorreatores para fabricar uma gama de produtos, incluindo fármacos, biocombustíveis, enzimas, alimentos fermentados e ingredientes alimentícios.

Tipos de biorreatores

Os biorreatores podem ser classificados quanto ao tipo de biocatalisador (células ou enzimas), configuração do biocatalisador (livre, imobilizado ou confinado entre membranas) e a forma de agitação. Cada tipo de biorreator oferece vantagens específicas dependendo da aplicação desejada, do tipo de célula ou microrganismo utilizado, e das condições de processo requeridas. A escolha do biorreator adequado é crucial para otimizar a produção e garantir a eficiência do processo biotecnológico.

A maioria dos sistemas industriais usam células livres submersas em meio aquoso, então a retirada do meio leva consigo as células. Os biorreatores de tanque agitado são os mais usados, tanto em bancada, piloto e industrial. Os agitados pneumaticamente também estão sendo usados em diversas produções, por conta da sua maior capacidade de transferência de oxigênio. A Tecnal fabrica biorreatores de tanque agitado e biorreatores pneumáticos do tipo AIRLIFT ou coluna de bolhas.

Os biorreatores de tanque agitado (STR – stirred tank reactor) são os mais comuns e versáteis, consistindo de um tanque equipado com um sistema de agitação mecânica. Este tipo de biorreator é projetado para manter os microrganismos ou células em suspensão, garantindo uma mistura homogênea e uma transferência eficiente de nutrientes, gases e calor.

Os biorreatores pneumáticos, como os biorreatores airlift ou de coluna de bolhas, utilizam ar ou outros gases para promover a circulação e a mistura dos conteúdos do reator. Em vez de agitação mecânica, o movimento é induzido pela injeção de gás na parte inferior do reator. Estes biorreatores são indicados para culturas de células delicadas, pois reduzem o cisalhamento mecânico e permitem homogeneização com menor gasto de energia.

Os biorreatores com células imobilizadas são usados em células que estão confinadas, imobilizadas em suportes ou em membranas. Esse tipo de sistema contém o biorreator de leito fixo e biorreator de leito fluidizado. Além do cultivo submerso, existe o cultivo em fase não aquosa que são cultivos em estado sólido, não há presença de água no biorreator e as células são misturadas em substratos. Para esse tipo de cultivo pode ser usado o biorreator estático (bandejas) e biorreator com agitação (rotatório).

Componentes dos biorreatores

A seguir, os principais componentes de um biorreator:

A estrutura do vaso (dorna) é a base de qualquer biorreator. Geralmente fabricada em aço inoxidável ou vidro (escala de bancada), a estrutura do vaso precisa ser resistente à corrosão e de fácil esterilização. A forma e o tamanho podem variar conforme o tipo de aplicação, mas todos devem garantir a integridade do conteúdo e permitir uma mistura eficiente do meio de cultura.

O controle de temperatura é crítico para muitas reações biológicas, biorreatores são equipados com sistemas de aquecimento e resfriamento que mantêm a temperatura ideal para o crescimento e atividade dos organismos. Esses sistemas podem incluir mantas de aquecimento, serpentina de resfriamento ou jaquetas de temperatura ao redor da dorna.

Os vasos oferecidos pela Tecnal podem ter:

• Parede simples (única parede de inox ou vidro): uma manta térmica aquece o vaso e uma serpentina interna resfria o meio de cultivo e serve para controlar a temperatura de fermentação.
• Parede dupla, chamada de camisa (duas paredes de vidro ou inox): o aquecimento e resfriamento é controlado por um banho termostatizado, assim como a serpentina, a camisa tem finalidade de controlar a temperatura durante o processo de produção.

A agitação proporciona a homogeneidade do meio dentro do biorreator. Ela garante que nutrientes, gases e células estejam uniformemente distribuídos. Esses sistemas podem incluir agitadores mecânicos ou bolhas de ar (em biorreatores pneumáticos). Nos biorreatores de tanque agitado a agitação é feita por impelidores, que estão fixos no eixo central do equipamento promovendo a agitação do meio de cultura, a rotação dos impelidores é acionada por motor acima ou abaixo do vaso.

Existem diversos tipos de impelidores, cada um indicado para um tipo de produção e que provocarão diferentes movimentos no meio de cultura. De acordo com o tipo de impelidor, o escoamento do líquido será radial, axial ou ambos. No escoamento radial o meio de cultura é impulsionado radialmente, do eixo do impelidor para a parede do vaso. Com o escoamento axial, o meio de cultura é impulsionado para cima ou para baixo ao longo do eixo do impelidor, nesse caso, o que determina se o movimento será para cima ou para baixo é a orientação e sentido de rotação do impelidor.

Os impelidores turbina Rushton, agitador em âncora e turbina Paddle são exemplos de impelidores com fluxo radial. Exemplos de impelidores com fluxo axial são hélice naval, hélice com fluxo duplo, hélice com grandes pás e agitador com fita helicóide.

Impelidores Rushton e Smith, que são do tipo turbina, são indicados para fluidos pouco viscosos e velocidade de 100-1000 rpm, eles garantem boa dispersão de gases em líquidos e mistura de fluidos imiscíveis.  Outro impelidor do tipo turbina, as 4 pás inclinadas, é indicado para fluidos pouco viscoso com suspensão de sólidos e agitação de fluidos miscíveis.

O agitador naval, do tipo propulsor, é indicado para fluidos pouco viscosos, velocidade de 300-1500 rpm, suspensão de sólidos com baixo índice de cisalhamento e agitação de fluidos miscíveis. Os impelidores duplo helicoidal e âncora são exemplos do tipo hélice: o primeiro deve ser usado em fluidos muito viscosos, com escoamento misto e em baixa velocidade, o segundo é ideal para fluidos viscosos e baixa velocidade.

Os impelidores são componentes fundamentais em biorreatores pois são responsáveis por:

• Mistura homogênea: Garantem a distribuição uniforme de nutrientes, células e gases, essenciais para um ambiente de cultivo eficiente.
• Transferência de oxigênio: Facilitam a dissolução de oxigênio no meio de cultivo, fundamental para processos aeróbicos.
• Prevenção de sedimentação: Mantêm células e partículas sólidas em suspensão, evitando a formação de grumos ou camadas inativas no fundo do biorreator.
• Uniformidade térmica: Asseguram a distribuição uniforme da temperatura dentro do biorreator, evitando zonas quentes ou frias que poderiam afetar o crescimento celular.

Os biorreatores de tanque agitado também possuem chicanas (baffles) verticais, que são usadas na parede do reator, isso evita a formação de vórtices, melhora a homogeneização e turbulência do meio, promovendo maior transferência de oxigênio.

Já os biorreatores agitados pneumaticamente não possuem agitadores mecânicos, a homogeneização é feita através da injeção de gases que irão agitar o meio de cultura. No biorreator de coluna de bolhas a movimentação do liquido é aleatória, já no airlift a movimentação é bem ordenada em determinadas direções, o escoamento é cíclico através de um cilindro interno.

Os biorreatores Airlift permitem o uso de sistema de fotoperíodo, que são equipamentos projetados para cultivar organismos fotossintéticos, como microalgas e cianobactérias, sob condições controladas de iluminação. Para produção desses tipos de organismos, a Tecnal oferece o Biorreator Airlift, modelo TEC-BIO-P-3,0-AIR-LIFT-RM. Esses sistemas são um tipo específico de biorreator que utiliza luz artificial, como fonte de energia para promover o crescimento de organismos fotossintéticos. Estes organismos convertem luz em energia química através da fotossíntese, produzindo biomassa.

O pH e os níveis de oxigênio são parâmetros cruciais que afetam diretamente a atividade celular e a eficiência do processo biotecnológico. Sensores de pH e oxigênio são instalados para monitorar continuamente esses níveis, permitindo ajustes.

Os biorreatores também incluem bombas peristálticas para a alimentação contínua de substratos e a retirada de produtos finais ou subprodutos. Estes sistemas são fundamentais para processos de operação contínua, onde o ambiente interno precisa ser mantido estável ao longo do tempo.

Considerações finais

A versatilidade e a eficiência dos biorreatores fazem deles uma ferramenta indispensável na biotecnologia. Ao proporcionar um ambiente controlado para processos biológicos, eles não apenas melhoram a produção e a qualidade dos produtos finais, mas também permitem avanços significativos em pesquisa e desenvolvimento em várias áreas científicas e industriais.

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Referências bibliográficas

BUFFO, M. M. Transferência de oxigênio e cisalhamento em biorreator convencional com diferentes combinações de impelidores. Dissertação (Mestrado em Engenharia química), Universidade Federal de São Carlos, UFSCar. 2016.

SCHMIDELL, W.; LIMA, U. de A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. Biotecnologia industrial: Engenharia bioquímica. Volume 2. Editora Blucher, São Paulo. 2001.