Bioreator de fermentação industrial

Tipos de biorreator de fermentação industrial

Um **biorreator de fermentação** é um dispositivo usado para realizar a fermentação de forma controlada. Existem vários tipos de biorreatores de fermentação industrial, todos os quais podem ser divididos em duas categorias amplas, a saber, biorreatores não agitados e biorreatores agitados.

• Vasos de reação sem agitação

  Os processos de fermentação naturais que ocorrem sem o uso de mistura artificial são conhecidos como fermentação não agitada. Nestes tipos de biorreatores, o meio geralmente é espesso. O modelo de biorreator é tipicamente usado para fermentação em estado sólido. No caso de não agitado, o movimento das correntes de ar dentro do vaso de fermentação geralmente é suficiente para a troca de gases. Este tipo de vaso normalmente tem um filtro para permitir que o gás entre e saia. Os filtros permitem a troca de ar a uma taxa específica, evitando a contaminação por microrganismos.

• Vasos de reação agitados

  Em um reator agitado, o meio está em algum lugar entre um líquido e um sólido. Além disso, o meio tem consistência suficiente para permitir o contato entre os microrganismos e o substrato. Os biorreatores são usados em aplicações industriais para meios líquidos e sólidos. Os reatores agitados garantem uma distribuição uniforme de temperatura, pH, pressão, umidade e conteúdo de nutrientes na cultura, além de uma maior imobilização de enzimas e microrganismos.

  Normalmente, a transferência de gás e a mistura são auxiliadas por um impelidor que gira. Várias variedades de modelos de biorreator com vasos agitados estão disponíveis.

  • Biorreator de tanque de agitação tradicional: Este biorreator possui cilindros e cones em seu lugar para facilitar a descarga suave e uniforme do produto, meio de fermentação ou resíduos.

  • Biorreator autoajustável: Neste tipo de biorreator, os sistemas de controle geralmente são autoajustáveis para atingir o desempenho ideal com menos participação do operador.

  • Biorreator de jato: Este biorreator utiliza uma bomba de jato com base no princípio da dinâmica dos fluidos para permitir a mistura e a transferência de nutrientes no meio de cultura.

  • Biorreator de membrana: O biorreator integra um sistema de membrana no projeto central para separar e filtrar a biomassa. A membrana também pode ser usada para recircular as células de volta ao reator.

No geral, os modelos de biorreator agitados são mais comuns nos processos de fermentação industrial porque permitem o controle preciso das condições ambientais necessárias para o crescimento microbiano ideal e a formação do produto.

Especificação e manutenção do biorreator de fermentação industrial

As especificações do biorreator de fermentação dependem do tipo, o que corresponde a diferentes aplicações. Aqui estão alguns recursos-chave com seus detalhes e especificações:

• Volume de trabalho

  O volume do vaso de fermentação afeta a densidade celular e o volume da cultura. Também determina a quantidade de substrato e meio nutritivo a ser adicionado. Para fermentadores em pequena escala, os volumes de trabalho variam entre 1 e 500 L. No entanto, em fermentadores em grande escala, os volumes são de 5.000 L a 100.000 L e, em alguns casos, até 500.000 L.

• Controle de temperatura

  Os biorreatores possuem recursos de controle de temperatura integrados para fermentação adequada. Eles podem vir com uma jaqueta de resfriamento, mangas de aquecimento elétricas ou trocadores de calor externos. A faixa de temperatura de um biorreator pode estar entre 5 e 65 graus Celsius, com precisão de +/- 0,5 graus. O sistema de refrigeração e aquecimento utiliza água ou glicol, dependendo das condições de fermentação.

• Controle de pH

  Manter o nível de acidez correto no biorreator é crucial para o crescimento celular. O fermentador possui sondas de pH e sistemas de controle que adicionam tampões ou titulantes ácido-base. A faixa de pH do fermentador varia de 1 a 12 com precisão de +/- 0,01.

• Transferência de oxigênio

  Alguns fermentadores controlam a transferência de oxigênio. Eles possuem um sistema de fornecimento de oxigênio, sondas de oxigênio e um recurso de controle de demanda de O2. Pode incluir módulos de mistura de gases, filtração e separação. As sondas de oxigênio têm uma faixa de 0-100% com precisão de +/- 0,5%.

• Aeração

  O mecanismo de agitação e o sistema de aeração de um biorreator de fermentação garantem a mistura adequada e a troca de gases. O fermentador possui um agitador, um sparger ou ambos. Pode incluir uma válvula de alívio para a liberação de excesso de gás. A velocidade de agitação mecânica varia de 50 a 1.500 rpm e o tamanho dos poros do sparger está entre 0,5 e 2 mm.

• Materiais e construção

  Em muitos casos, os materiais de construção e fabricação do fermentador são muito importantes. Isso é particularmente verdadeiro para fermentadores em escala industrial onde são necessários materiais fortes e anticorrosivos. Normalmente, aço inoxidável (biomateriais 316L, 304) e vidro (para fermentadores de baixo volume) são usados para construir o vaso.

• Sistema de controle

  Os controladores de biorreator permitem que os usuários monitorem e gerenciem parâmetros importantes do processo de fermentação. Possui uma tela sensível ao toque colorida e sistemas Windows ou Android. A interface do usuário projetada é para operação fácil e inclui registro de dados e geração de relatórios. A capacidade de armazenamento de dados pode atingir 10.000 registros. O controlador se conecta via USB ou Ethernet. As funções automáticas do controlador permitem que ele funcione de forma autônoma por 90 dias.

• Recursos de segurança

  Esses biorreatores de fermentação possuem dispositivos de proteção que impedem a sobrepressão e o superaquecimento. Esses dispositivos aumentam a segurança do usuário. A porta do fermentador possui uma trava para evitar que seja aberta sob pressão. O botão de parada de emergência permite que o usuário pare a operação rapidamente em emergências.

A manutenção adequada garante a longa vida útil e a operação confiável do biorreator de fermentação. Aqui estão algumas dicas úteis:

• Limpeza e desinfecção

  Antes de iniciar o processo de fermentação, é necessário limpar e desinfetar completamente o biorreator. Isso garantirá que a cultura de fermentação esteja livre de quaisquer contaminantes. Siga o procedimento de limpeza definido no manual. Realize a manutenção de rotina e esterilize o reator antes e depois de cada uso.

• Calibração

  Verifique regularmente a calibração do biorreator. Certifique-se de que todos os equipamentos de controle e medição estejam funcionando corretamente. Calibrar temperatura, pH, sensores de oxigênio dissolvido e pressão na frequência definida de acordo com as recomendações do fabricante. Os usuários de biorreatores devem definir uma programação para manutenção e reparos periódicos de acordo com o manual do fabricante.

• Controle de qualidade

  Antes de começar a usar o biorreator, inspecione-o cuidadosamente. Verifique as condições físicas e funcionais de todos os componentes, como válvulas, sensores, atuadores e controles. Opere o biorreator dentro dos limites da temperatura, pressão e pH pré-definidos. Não exceda os parâmetros de volume e peso permitidos para garantir a fermentação adequada e a integridade do reator. Armazene o biorreator em um local limpo e seco. Controle os parâmetros do ambiente dentro dos níveis recomendados para evitar corrosão e contaminação.

Cenários de aplicação do biorreator de fermentação industrial

• Indústria de alimentos e bebidas:

  Os biorreatores de fermentação são amplamente utilizados na indústria de alimentos e bebidas para produzir vários alimentos e bebidas fermentados, como iogurte, queijo, chucrute, kimchi, kefir, kombucha, cerveja e vinho. Eles fornecem condições controladas para o crescimento de microrganismos, garantindo os sabores e texturas dos produtos finais.

• Indústria farmacêutica:

  Na indústria farmacêutica, os biorreatores de fermentação desempenham um papel crucial na produção de antibióticos, vitaminas, aminoácidos, enzimas, hormônios e outros compostos farmacêuticos. Esses compostos são frequentemente os subprodutos dos processos metabólicos dos microrganismos ou são sintetizados por meio da fermentação.

• Produção de biocombustível:

  Os biorreatores de fermentação são uma parte significativa do processo de produção em biocombustíveis. Leveduras e bactérias são usadas para fermentar carboidratos de matérias-primas (como milho, cana-de-açúcar e biomassa celulósica) em etanol, butanol ou outros biocombustíveis.

• Indústria química:

  A fermentação microbiana pode sintetizar vários produtos bioquímicos na indústria química, incluindo ácidos orgânicos, solventes, aromas e fragrâncias, probióticos e muito mais. Esses produtos são amplamente utilizados nas indústrias de alimentos, cosméticos e síntese química.

• Aplicações ambientais:

  Os biorreatores de fermentação podem tratar resíduos e poluentes em nosso ambiente. Por exemplo, eles podem ajudar a decompor a matéria orgânica em resíduos de alimentos para melhorar o solo por meio da fermentação microbiana. Os biorreatores de fermentação também podem ser usados para biorremediação, onde os microrganismos degradam poluentes ambientais.

Escolhendo biorreatores de fermentação industrial

Considere os seguintes fatores ao escolher biorreatores de fermentação para uso em várias indústrias:

• Volume de trabalho e escala

  O volume de trabalho do fermentador é o tamanho do espaço que será utilizado para conter o meio usado no processo de fermentação. Ao selecionar um biorreator de fermentação adequado para uma aplicação industrial, é importante considerar o volume de trabalho e a escala. Os volumes e escalas disponíveis são limitados pelo tamanho do reator. Um fermentador em escala piloto ou um com um volume de trabalho menor deve ser usado para testes e estudo. Para atingir a produtividade desejada para o fornecimento de mercado completo, um fermentador em escala completa com um volume de trabalho maior deve ser usado.

• Modos de cultivo flexíveis

  A capacidade de um biorreator de se adaptar a vários tipos de fermentação é outra coisa a ser considerada. Fermentações em batelada, alimentadas em batelada e contínuas são exemplos de processos possíveis. Cada técnica de tratamento tem seus próprios benefícios. Por exemplo, em uma fermentação em batelada, todos os ingredientes estão presentes no início do processo. Contrariamente, uma fermentação contínua tem um fluxo constante de entradas e saídas, que frequentemente produzem produtos de menor custo.

• Pureza e condições estéreis

  Manter a esterilidade do fermentador é crucial para evitar alterações químicas indesejadas e garantir a pureza do produto final. Desenvolver um ambiente limpo e estéril é essencial para atingir as reações biológicas desejadas. Para permitir a esterilização fácil e erradicar quaisquer microrganismos prejudiciais, os fermentadores frequentemente possuem interiores lisos e materiais que podem suportar altas temperaturas e pressões.

• Transferência de oxigênio e agitação

  Para que a fermentação ocorra com sucesso, vários tipos de microrganismos e células precisam ser transportados e expostos ao oxigênio. Os dispositivos de mistura dentro do fermentador também serão usados para atingir isso. É possível escolher soluções de fermentação que oferecem transferência de oxigênio eficaz e mistura uniforme, que é o que o sistema de agitação deve garantir que ocorra em todo o meio de cultura.

Perguntas frequentes sobre biorreator de fermentação industrial

P1. Qual a diferença entre fermentação em batelada e fermentação contínua em biorreatores?

A1. O processo de fermentação em batelada é onde o biorreator é preenchido e fechado, e não são feitas mais adições ou retiradas até que a fermentação termine. Enquanto em um biorreator contínuo, a entrada de materiais e a saída de produtos ocorrem simultaneamente.

P2. Como o sistema de controle de temperatura funciona em biorreatores de fermentação?

A2. O sistema de controle de temperatura em um biorreator mantém a temperatura desejável para o crescimento ideal de microrganismos ou células. Normalmente, utiliza uma jaqueta ou um trocador de calor externo, com a ajuda de fluidos de refrigeração ou aquecimento, para regular a temperatura do biorreator.

P3. Quais são as tendências no mercado de biorreatores de fermentação?

A3. O mercado de biorreatores de fermentação industrial está experimentando um aumento devido à crescente demanda por biofármacos, produtos biobaseados sustentáveis e à necessidade de tecnologias de fermentação microbiana eficientes.