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O biorreator industrial é um sistema de produção biológica em grande escala que desempenha um papel importante na terapia genética, terapia celular e engenharia de tecidos. Na indústria alimentar, desempenha um papel importante na fermentação. De acordo com o modo de operação, um biorreator pode ser classificado em três categorias: fluxo contínuo, tipo batelada e semi-contínuo.
Biorreator em batelada:
Um biorreator em batelada é um reator no qual as matérias-primas são carregadas de uma só vez e cultivadas dentro do vaso. É um dos tipos de projeto de biorreator mais amplamente utilizados. Todo o processo pode ser dividido em quatro fases: injeção de matérias-primas, reação, extração do produto e limpeza. Os biorreatores em batelada aumentam a variedade e a flexibilidade do produto. Devido à ausência de entrada e saída simultâneas, geralmente são mais fáceis de controlar e gerir em comparação com os biorreatores contínuos.
Biorreator de fluxo contínuo:
Um biorreator de fluxo contínuo é um reator no qual as matérias-primas e os produtos fluem para dentro e para fora do reator simultaneamente, formando um processo de produção contínuo. Os biorreatores contínuos podem melhorar a produtividade por unidade de volume e são adequados para produção estável em grande escala. No entanto, o projeto e o controlo dos biorreatores contínuos são difíceis porque é necessário garantir que o reator mantenha o estado estacionário e evitar a entrada de matérias-primas e contaminação.
Biorreator semi-contínuo:
Um biorreator semi-contínuo é um reator no qual as matérias-primas são carregadas periodicamente e os produtos são extraídos continuamente. Os biorreatores semi-contínuos combinam as características dos biorreatores em batelada e contínuos. Eles melhoram a produtividade e a concentração e são adequados para algumas aplicações que precisam de funcionar por um longo tempo e processos semi-contínuos. O projeto e a operação dos biorreatores semi-contínuos são semelhantes aos biorreatores em batelada, mas precisam extrair produtos continuamente e implementar operação semi-contínua.
Além disso, de acordo com o modo de transferência de massa, os biorreatores podem ser divididos em reatores de fase líquida, reatores de fase gasosa e sistemas de biorreatores bifásicos. O biorreator de fase líquida é um reator no qual o sistema de reação é um líquido. É o tipo mais comum de biorreator e inclui biorreatores de tanque agitado, biorreatores de fluxo de pistão e biorreatores CSTR. O biorreator de fase gasosa é um reator no qual o sistema de reação é gás, incluindo um biorreator gás-sólido de leito fixo e um biorreator gás-sólido de leito fluidizado. O sistema de biorreatores bifásicos inclui um sistema gás-líquido e um sistema gás-líquido-sólido.
Especificações genéricas
Os vasos de biorreator existem em diferentes tamanhos para atender a vários volumes operacionais, variando de reatores de pequena escala de laboratório com alguns litros de capacidade a reatores de grande escala industrial que armazenam milhares de litros de volume de trabalho. Além disso, os materiais utilizados para fabricar vasos de biorreator variam de acordo com os requisitos específicos do bioprocesso. Por exemplo, alguns biorreatores são feitos de vidro para facilitar a observação fácil da cultura e garantir a esterilidade, enquanto outros são feitos de diferentes tipos de aço inoxidável para garantir a durabilidade e resistir a condições de alta pressão e temperatura. Mais importante ainda, o projeto do vaso do biorreator também afeta as taxas de mistura e transferência de massa do biorreator. Alguns projetos populares incluem reatores de _vaso rígido_, reatores de balão, reatores de fibra oca e reatores _tubulares de fluxo de cisalhamento_.
Sistema de aeração
Os sistemas de aeração de um biorreator fornecem a troca de gás necessária para que os nutrientes e o oxigênio possam difundir-se para o organismo, enquanto os produtos de desperdício e o dióxido de carbono podem difundir-se para fora do organismo. Os biorreatores geralmente têm alguns compressores ou bombas externos para aeração forçada, e as bolhas e a agitação criadas fornecem mistura e transferência de massa adicionais dentro do reator. O biorreator também tem alguns dispositivos semelhantes a tubos - por exemplo, um sparger no fundo do vaso do biorreator - que divide o ar em pequenas bolhas que sobem através do meio líquido. Além disso, alguns biorreatores que se concentram na redução dos custos de suprimentos de ar também adotam biorreatores de ar-elevado que usam forças de flutuação para circular o fluido de cultura.
Sistema de controlo
Os biorreatores industriais mais avançados são geralmente equipados com sistemas de controlo complexos que permitem aos utilizadores monitorizar e controlar vários parâmetros em tempo real. Por exemplo, o controlador de temperatura pode manter a temperatura em valores ótimos; os controladores de pH, oxigênio dissolvido e potencial de óxido-redução podem garantir que o ambiente de cultura atinja as condições ideais; e os sensores de pressão podem evitar fugas e explosões de biorreatores com os spargers automáticos.
A manutenção regular de biorreatores industriais ajuda a garantir a sua estabilidade e segurança. Também ajuda a melhorar o rendimento e a qualidade do produto, prolongando a vida útil do biorreator. As sugestões a seguir fornecem um processo de manutenção sistemático que garante a eficiência operacional do biorreator.
A seleção dos biorreatores mais adequados para a aplicação pretendida envolve a consideração de vários fatores cruciais. Alguns deles são os seguintes:
Escala de produção
A escala de produção é um dos fatores mais importantes na escolha de um biorreator industrial. Primeiro, é essencial determinar o volume desejado do produto final. Em seguida, deve-se escolher um biorreator que possa atender à escala de produção alvo. Geralmente, a produção em grande escala precisa de biorreatores maiores. Por exemplo, um biorreator de tanque agitado com 1000 litros ou mais de tamanho é mais adequado para produção em grande escala em muitas aplicações.
Flexibilidade
Ao escolher um biorreator industrial, também é essencial considerar a flexibilidade do sistema. Um bom biorreator deve ser capaz de suportar diferentes linhagens celulares, condições de cultura e estratégias de alimentação. Seria melhor escolher aqueles biorreatores com projetos modulares ou componentes atualizáveis se precisar mudar o processo de produção.
Automação e controlo
A automação e o controlo também são coisas essenciais a considerar na escolha de biorreatores. Os biorreatores automatizados avançados com controlo preciso dos parâmetros ambientais podem melhorar significativamente a reprodutibilidade e a consistência do produto. Pense em fatores como sistema de controlo, seleção de sensores e capacidades de integração de dados e escolha um biorreator adequado que atenda aos requisitos de automação e controlo.
Custo
O custo também é um aspeto importante a considerar na seleção de biorreatores. Considere o custo inicial de compra, bem como os custos operacionais, as despesas de manutenção e os consumíveis na fase posterior.
P: Como funciona um biorreator?
R: Em geral, a função do biorreator pode ser resumida em quatro etapas: mistura, troca de gás, troca de calor e amostragem e alimentação.
1. Mistura: O agitador no biorreator é usado para misturar o conteúdo. A mistura garante que todas as partes do biorreator são iguais. Ajuda a espalhar os nutrientes e a manter as células vivas. Uma boa mistura também impede que as células fiquem presas às paredes do biorreator. Trabalhar com os fermentadores de biorreatores, homogenizadores e bombas melhora a mistura.
2. Troca de gás: Algumas células no biorreator precisam de oxigénio para crescer. O biorreator fornece uma forma de os gases entrarem e saírem. O biorreator tem bolhas ou uma membrana porosa. As bolhas fornecem oxigénio e retiram o dióxido de carbono. A membrana faz ambos os trabalhos com apenas oxigénio a passar por ela.
3. Troca de calor: Cada biorreator tem uma forma de controlar o calor. Pode ser uma jaqueta em torno do biorreator ou serpentinas no seu interior. A água corre através da jaqueta ou das serpentinas. Se o biorreator estiver muito quente, a água retira algum calor. Se estiver muito frio, a água devolve calor. Este método mantém o biorreator à temperatura certa para as células.
4. Amostragem e alimentação: Às vezes, é necessário retirar uma parte da mistura no biorreator. Esta parte é testada para ver como as células estão a crescer. Muitas vezes, também é colocada comida nova no biorreator. Um lugar pequeno e seguro é usado para tirar amostras e adicionar comida. Chama-se "cip/sig". Mantém o biorreator seguro e limpo.
P: Quais os tipos de biorreatores que são populares?
R: O biorreator de tanque agitado ainda é o mais utilizado. Ele representa 80 - 90% de todos os biorreatores usados. Foram feitas muitas melhorias para que funcione melhor. Outros tipos como ar-elevado, coluna de bolhas e reatores de leito fluidizado são usados em alguns lugares.
P: Que fatores considerar ao comprar um biorreator?
R: O tamanho do biorreator é importante de considerar. Ele tem que conter líquido suficiente para o trabalho a ser feito. Pense também em como o biorreator mistura e emite gases. A forma como é aquecido e arrefecido também precisa de ser analisada. Deve ser fácil de limpar e trabalhar com diferentes tipos de células ou germes.
P: Quais são as tendências na indústria de biorreatores?
R: Os biorreatores estão a melhorar. Agora, mais reatores têm bons controlos para O2, CO2, pH e temperatura. Biorreatores maiores são usados para fazer mais coisas. A reciclagem de resíduos em biorreatores está a tornar-se uma necessidade. Também estão a ser analisadas mais formas de inserir e retirar coisas de biorreatores de forma segura.