Aula 5 - Bioreatores

Aula 5 - Biorreatores

Objetivo Geral:

Apresentar os diferentes tipos de biorreatores aplicados na industria de bioprocessos.

Objetivos específicos:

1. explicar os tipos de biorreatores e suas característica
2. apresentar a diferença dos biorreatores e correlacionar com a aplicação

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Exercícios Bônus

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Definição

Os reatores químicos operam com substâncias químicas (substrato) nos quais ocorrem uma série de reações químicas catalisadas por reatores, onde irão reagir sempre da mesma maneira (gerando o mesmo produto) dependendo da composição e temperatura empregada. Denominam-se biorreatores, os reatores biológicos operam apenas com células vivas ou enzimas (microbiana, animais ou vegetais), que por sua vez diferentemente  das reações químicas, se comportam de maneiras diferentes mesmo com a utilização da mesma cepa, uma vez que podem ser influenciada pela sua via metabólica, o que irá alterar a produtividade e gerar diferentes produtos.

Quando se pensa em executar um processo fermentativo, devemos nos preocupar em conhecer o comportamento da célula viva (substrato) que iremos utilizar, bem como o produto que queremos gerar a partir do substrato, assim como os requisitos mínimos para que o bioprocesso ocorra, como a esterilidade do meio, agitação e aeração empregada (microrganismos aeróbios e anaeróbios) sem que ocorra o cisalhamento, temperatura (microrganismos,Psicrófilos, Mesófilos e Termófilos)  , pH, alimentação (meios de cultivos com os nutrientes específicos de cada espécie), controle de espuma e um rápido e eficiente sistema de limpeza.

Existem infinitas formas de se conduzir um biorreator, dependendo das características próprias do microrganismo, meio de cultivo, e dos objetivos específicos do processo que se pretende executar. São empregados em diversas áreas como para produção de enzimas, compostos orgânicos (combustíveis, polímeros), álcool, alimentos (iogurte, picles, condimentos, açúcar, enriquecimento protéico), rações para animais, medicamentos biofármacos (antibióticos, vacinas, anticorpos monoclonais, vitaminas), tratamento de água e resíduos, dentre outros.

A distinção entre bioprocessos e processos químicos está  na natureza dos catalisadores utilizados em suas reações  mediante a ação de: microrganismos;  células animais ou vegetais; enzimas.

Os biorreatores que utilizam microorganismos são os  mais conhecidos e utilizados. São empregados para a produção industrial para uma grande diversidade de produtos, como: enzimas, antibióticos, vitaminas, ácidos orgânicos, solventes e tratamento de resíduos.

Figura 1 - Esquema de um bioprocesso

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 microrganismos. 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 microorganismo. 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

Breve histórico

A utilização de processos catalisados por biorreatores no mundo começou em:

• 6.000 a. C. bebidas alcoólicas (cerveja e vinho)
• 2.000 a.C. panificação e bebidas fermentadas
• 1875 d. C. Pasteur mostra que microrganismos efetuam a fermentação
• 1880-1910 fermentação industrial (ácido láctico, etanol, vinagre)
• 1910-1940 síntese de glicerol, acetona e ácido cítrico
• 1940-1950 Antibióticos produzidos em larga escala através de processos fermentativos
• 1953 - estabelecida a estrutura do DNA
• 1973 -  início da engenharia genética
• 1982 -  insulina humana é produzida
• 1983 -  Pesquisadores belgas e alemães produzem a primeira planta transgênica: tabaco resistente
• 1985 -  K. Mullis desenvolve a técnica do PCR (Polymerase Chain Reaction), permitindo a síntese de multicópias de DNA a partir de reduzidas amostras de material genético
• 1986 -  O primeiro interferon, produzido por engenharia genética, é aprovado, pela FDA, no combate ao câncer
• 1989 -  Experimentos, nos Estados Unidos, com as primeiras plantas geneticamente modificadas para produzirem proteínas contra doenças humanas
• 1989 -  Criação, nos Estados Unidos, do National Center for Human Genome Research, com o objetivo de mapear e sequenciar todo o DNA humano até 2005.
• 1990 -  Aprovação, nos EUA, do primeiro produto alimentício derivado da engenharia
• 1990 -  Aprovação, nos EUA, do primeiro produto alimentício derivado da engenharia genética: a quimosina, uma enzima empregada na fabricação de queijo e produzida por uma bactéria transgênica
• 1994 -  O tomate Flavr Savr é o primeiro produto geneticamente modificado a ser comercializado nos EUA.
• 1996 -  Ian Wilmut e sua equipe do Scotland Roslin Institute criam ovelha Dolly, a partir da clonagem de células de uma ovelha velha
• 2000 - Obtenção, pelo Instituto de Tecnologia da Suíça, do arroz geneticamente modificado (arroz dourado), com maior teor de betacaroteno, precursor da vitamina A
• 2004 - Genentech aprova no FDA Avastin®, anticorpo humanizado, antineoplásico.

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 microorganismos.

• 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 ATP pela oxidação de compostos inorgânicos; ao passo que as bactérias, leveduras e fungos heterotróficos formam ATP oxidando compostos orgânicos. Nas indústrias de fermentação, a fonte mais comum de energia é amido ou melaço.

• Fonte de carbono: as necessidades de carbono são supridas com a fonte de energia, porém as bactérias autotróficas e fotossintéticas utilizam dióxido de carbono. A via pela qual os heterotróficos metabolizam carbono de substrato é importante para se determinar a quantidade de carbono convertido em material celular. Verifica-se que os organismos facultativos incorporam cerca de 10% do carbono do substrato quando metabolizam anaerobiamente, porém 50 - 55% com metabolismo completamente aeróbio.

• Fonte de nitrogênio: o nitrogênio pode ser suprido à maioria dos organismos industrialmente importantes por meio de amônia ou de seus sais, embora o crescimento seja mais rápido quando se utiliza nitrogênio orgânico. Os compostos orgânicos nitrogenados mais utilizados industrialmente são: farelo de soja, farelo de amendoim, farinhas de peixe ou carne, as borras de cerveja, extrato de levedura, soro de leite.

• Fonte de minerais: fósforo e magnésio são constituintes particularmente importantes no meio de cultura, pois são relacionados com todas as reações de transferência de energia cálcio, também são indispensáveis para o bom desenvolvimento da cultura, o potássio, enxofre e sódio, assim como os micronutrientes: ferro, cobalto, cobre e zinco.

Tipos de sistemas de biorreatores

Figura 2- Fluxograma de classificação dos biorreatores

1.Reator de tanque agitado (STR): Este é o mais utilizado, são tanques (metal com vidro), cilíndrico com agitação mecânica que proporciona maior aeração do meio e homogeneização com o substrato e também maior transferência de calor. No entanto, gera alta tensão de cisalhamento que pode ser prejudicial para o processo fermentativo, dependendo da sensibilidade. O agitador é montado num eixo central do fermentador, possuindo, ao longo de sua altura, uma série de turbinas, as quais podem ser de diferentes tipos (fig.3.1). 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.

Figura 3 - Biorreator STR

Figura 3.1 -Tipos de agitadores

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 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.

Figura 5 - Biorreator de coluna de bolhas

• 
  Figura 4 - Biorreator Air Lift

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.Biofilme: Os Microrganismos que não estão sendo carregados pelo fluxo de meio de cultivo, forma um biofilme que fica grudado nas paredes do reator onde colocam um fluxo alto para separar a cepa de produção, selecionando as que formavam o biofilme.

Figura 6 - Biorreator Biofilme

5.Biostat: Eles são descartáveis, o produto utilizado é plastico. Não é necessario limpar o sistema o que reduz bastante o custo de produção, se o plastico não for tão caro. Possui tanque agitado escalonável, com recipiente de utilização e sensores de pH.

Figura 7 - Biorreator Biostat

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.

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”).

Há portanto uma variação da concentração de nutrientes, células e produto ao longo do comprimento do reator.

Figura 8 - Fotobiorreator tubular horizontal

Figura 9 -Biorreatores estáticos

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;

» Gás inerte;

» Corrente de recirculação do líquido no reator.

Figura 10.2 - Biorreator confinado de fibra oca

Figura 10.1 - Biorreatores confinados de membranas planas

10. Biorreatores confinados: 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.

Figura 11 - Biorreatores de fase não aquosa do tipo bandeja

Figura 12 - Biorreatores de fase não aquosa do tipo agitado(rotatório)

11. Biorreatores de fase não aquosa: Os reatores de fase não-aquosa (Fermentação semi-sólida), se caracterizam pela ausência de "água livre" (30 a 80% de umidade).

• 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.

Figura 13- Biorreatores de leito fixo

Leito fixo:Leito fixo caracteriza-se pela passagem de ar ou gás inerte através de um leito de partículas sólidas.

Figura 14 -Biorreatores de leito fluidizado

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.

Contextualização com a atualidade

1.Wave: reator de ondas (Wave), a principal razão do intenso interesse é que este biorreator é descartável, assim facilita a regulamentação e a garantia da qualidade do processo de expansão. O biorreator consiste em duas partes principais: uma bolsa estéril e descartável, no será realizado o cultivo das células, e uma plataforma móvel (balança) onde controla a agitação, temperatura e o pH do meio de cultivo, características atrativas para fins produtivos nos quais a escala de produção não é muito grande. Esse sistema é utilizado para células de mamíferos,pois não são fortemente agitadas visando que a célula é frágil. Porém o seu custo é elevado, ao se comparar com outros processos.

2.Microfluídica: Sistema de canais em escala micrométrica, geralmente esse micro-reatores são constituídos de elementos funcionais para o gerenciamento térmico (aquecedores, sensores de temperatura e dissipadores de calor), estrutura de catálises (superfícies porosas, membranas de catálise e camada de catálise), elementos de misturas (micro-misturadores) e sensores químicos (pH), que fazem a célula se prender, se dividir e crescer até chegar ao seu máximo de divisão. Possui um alto custo no desenvolvimento do primeiro “molde” porque é sensível a luz UV. São bastantes atrativos devido de diminuição no consumo de reagentes e resíduos com isso ocorre a redução do custo por análise, análises mais rápidas e resultados em poucos segundos, experimentos e reações químicas mais seguros, melhoria da qualidade dos dados, melhor controle nos parâmetros de processo nas reações químicas e maior resolução de separações. Não é indicado para escala de produção, devido ao seu custo elevado.

Curiosidades

Biólogo marinho constrói casa de baixo d’água

O biólogo marinho Lloyd Godson construiu, em 2007, uma casa submarina auto-sustentável, que é feita de aço e segurada por vigas de concreto (para a casa não sair flutuando).Ele ficou de 12 a 14 dias debaixo das águas e a casa não prejudica a natureza de forma nenhuma! Sabe como? Tendo algas verdes e uma bicicleta ergométrica. Ele deixava as algas em um biorreator fotossintético, que alimentava e oferecia iluminação às plantas, assim elas ficavam o tempo todo absorvendo o CO2 e liberando o O2. Por precaução Lloyd tinha um compressor de mergulho, caso as plantas não dessem conta de liberar todo o Oxigênio que necessitava o compressor oferecia uma dose extra desse gás. A bicicleta ergométrica era usada para fazer exercícios e gerar energia para seu laptop (ele ia ficar fazendo o que lá embaixo?). Quando precisava fazer xixi aproveitava para regar as algas e quando ia fazer o “Nº 2″ jogava seus dejetos numa caixa hermeticamente lacrada.

Figura 17- Casa submarina auto-sustentável.

Figura 18 - Esquema da casa submarina auto-sustentável.

Cupins os biorreatores mais eficientes do planeta

Os cupins estão sendo pesquisados como uma possível fonte de energia renovável, como eles podem produzir até 2 litros de hidrogênio a partir da ingestão de uma única folha de papel, tornando-se um dos biorreatores mais eficientes do planeta.

Os cupins exercem um papel importante na ciclagem de carbono e nitrogênio no meio ambiente. Responsabilizando-se por cerca de 90% da degradação da matéria vegetal-seca em florestas tropicais, os cupins são considerados ecologicamente como um biorreator natural de transformação de materiais lignocelulósicos em açúcares. A evolução dos cupins foi marcada pela mudança na composição dos simbiontes do trato digestivo e aquisição de

estratégias mais eficientes para a digestão da lignocelulose resultando na diversificação da dieta.

Figura 15 - Biorreator Wave

Figura 16.1 - Reator Microfluídico

Figura 16.2  - Reator Microfluídico

Referências

[1] G.T. Benz, Bioreactor Design for Chemical Engineers, Am. Inst. Chem. Eng. (2011) 21–26.

[2] A. Grünberger, N. Paczia, C. Probst, G. Schendzielorz, L. Eggeling, S. Noack, et al., A disposable picolitre bioreactor for cultivation and investigation of industrially relevant bacteria on the single cell level, Lab Chip. 12 (2012) 2060. doi:10.1039/c2lc40156h.

[3] J. Liu, Y. Cai, X. Liao, Q. Huang, Z. Hao, M. Hu, et al., Efficiency of laccase production in a 65-L air-lift reactor for potential green industrial and environmental application, J. Clean. Prod. 39 (2013) 154–160. doi:10.1016/j.jclepro.2012.08.004.

[4] CAMARGO, Ilana L. B. C.. Biorreatores e Processos Fermentativos. São Carlos: Ifsc - Usp, 2015. 31 slides, color. Disponível em: https://drive.google.com/drive/folders/0B3rS6DAukwRHaEtPcDZFQVZwTGc. Acesso em: 18 maio 2016.

[5] MOLINO, João Vitor Dutra, Apresentação da disciplina e da área de tecnologia de fermentacao. Santo Andre; Aula Expositiva, 2016. Disponível em: <https://pt.wikiversity.org/wiki/Aula_5_-_Bioreatores>

[6] CARUSO, Sâmia Rigotto. Desenvolvimento de um micro processo para expansão de células mesenquimais estromais multipotentes em microcarregadores. 2012. 137 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Biomedicina, Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Ribeirão Preto, 2012.

[7] SCHIANTI, Juliana de Novais. Sistemas microfluídicos aplicados na produção de micro e nanopartículas. 2012. 209 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2012. Disponível em: <www.teses.usp.br/teses/disponiveis/.../tese_JulianaSchianti_unprotected.pdf>. Acesso em: 06 jun. 2016.

[8] DE SÁ FERREIRA, Karina et al. PRODUÇÃO BIOFÁRMACO ESTREPTOQUINASE A PARTIR DE BIORREATOR. UNILUS Ensino e Pesquisa, v. 13, n. 30, p. 187, 2016.

[9] DA CUNHA, Daniele Colembergue. Modelagem, simulação e otimização de biorreatores de leito fixo para fermentação/bioprocesso em estado sólido. 2009. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio Grande.

[10] Escola de eNGENHARIA DE LORENA EEL/USP. Tipos de Biorreatores. Novembro de 2009.

[11] FRANCO CAIRO, João Paulo Lourenço. Análise do digestoma do cupim inferior Coptotermes gestroi visando aplicação na produção de bioprodutos lignocelulósicos. 2012. 171 p. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=000863440>. Acesso em: 1 abr. 2017.

[12] Empreendimentos imobiliários - Curiosidade: Biólogo marinho constrói casa de baixo d’água. Disponível em: <https://mamempreendimentos.wordpress.com/2015/11/10/curiosidade-biologo-marinho-constroi-casa-debaixo-dagua/ > Acesso em 24 de abril de 2017

[13] Portal BR Notícias - 10 curiosidades que talvez você não saiba. Disponível em: <http://portalbrnoticia.blogspot.com.br/2014/06/10-curiosidades-que-talvez-voce-nao.html> Acesso em 24 de abril de 2017