Bioprocessos e os Bubble Column Reactors

Devido ao crescimento da biotecnologia, pesquisas nos meios industrial e acadêmico têm produzido grandes avanços neste campo. As investigações e desenvolvimento de novas biotransformações e bioquímicas – enzimas, corantes, fragrâncias, hormônio, anticorpos e antibióticos- continuam, apesar de que a atividade associada a utilização comercial do potencial da biotecnologia moderna permanece limitada. Há insuficiência de conhecimentos associados a engenharia de bioprocessos, constituindo um dos vários gargalos para os bem sucedidos projetos e scale-up de bioprocessos (CHISTI, 1989).

A manufatura comercial de produtos tais como: • Fármacos (Ex.: penicilina);

• Enzimas;

• Compostos químicos de interesse comercial ( Ex.: ácido cítrico, etanol ); • Alimentos ( Ex.: vinagre, iogurte, queijo, cerveja, molho de soja, etc ); • Complementos alimentares;

é dependente de biotransformações catalisadas por microorganismos vivos. Em adição, o tratamento de efluentes é fundamentado, principalmente, no emprego de populações de microorganismos (CHISTI, 1989).

O emprego de microorganismos na produção industrial exige o fornecimento do oxigênio molecular (O2) para a respiração. Para um determinado modo de crescimento e/ou

a produção de um produto desejado numa taxa apropriada, os microorganismos – bactérias, fungos e leveduras – dependem da quantidade de oxigênio dissolvido na fase líquida, a partir da alimentação da fase gás (oxigênio ou ar), logo caracteriza-se um problema de transferência de massa. Os processos multifásicos gás-líquido-sólido aeróbicos estão longe de serem comuns na indústria bioquímica, sendo que os biorreatores, destacando-se os Reatores Air-Lift, constituem invariavelmente a parte central de tais processos. Vale ressaltar que além da fermentação aeróbica, outros processos industriais, são conduzidas

Mardonny Nazareno Barreira 2 SISTEMA EM ESTUDO

As reações processadas nos Bubble Column Reators envolvem um sistema gás- líquido no qual uma fase sólida pode estar em suspensão. Tais reatores são amplamente usados nas industrias em processos convencionais como:

• Oxidação; • Hidrogenação; • Cloração;

• Limpeza de gases.

O tipo mais comum de reator químico usado é o tanque agitado que tem sido empregado com muita freqüência nos biorreatores para fermentação aeróbica. Os dados de projeto dos reatores de tanque agitado, comuns na indústria química, foram rapidamente adaptados a partir de meados da década de 40, período que abrange a 2ª Guerra Mundial, para o uso na primeira moderna fermentação comercial – a produção do antibiótico penicilina (CHISTI, 1989).

Nos processos envolvendo a fermentação aeróbica, em geral, todos os nutrientes são fornecidos, sendo o oxigênio o menos solúvel e freqüentemente tornar-se o nutriente limitante. Há uma concentração crítica de oxigênio caracterizando a quantidade na fase líquida abaixo da qual o crescimento dos microorganismos é limitado pelo fornecimento de oxigênio. Logo, uma rápida taxa de consumo deve ser menor que a taxa de fornecimento de oxigênio, caso deseja-se manter uma determinada produtividade. Em muitos casos até mesmo uma momentânea interrupção no fornecimento de oxigênio conduziria a uma anóxia a qual resultaria em mudanças metabólicas nos microorganismos, implicando na produção de substâncias sem interesse comercial, ou conduziria a alguns outros danos reversíveis ou irreversíveis, como a morte dos microorganismos (CHISTI, 1989).

De antemão percebe-se que a transferência de oxigênio molecular da fase gás para a fase líquida deve ser conduzida de tal maneira nos biorreatores, classe onde se destacam os Bubble Column Reactors e os Reatores Air-Lift, que uma boa mistura seja alcançada de modo a se obter uma distribuição homogênea da transferência de oxigênio (e outros nutrientes) no biofluido reacional de maneira que as zonas mortas, onde uma possível anóxia possa surgir, sejam evitadas. A fluidodinâmica dos reatores supracitados também

afeta os parâmetros de performance, tais como: transferência de massa, calor e momentum e a intensidade da turbulência no reator (CHISTI, 1989).

Uma restrição ao processo de mistura e a transferência de massa nos reatores aplicados a sistemas biológicos é imposta pelo nível de tensões cisalhantes que os microorganismos podem tolerar. Campos de tensões cisalhantes relativamente altas podem danificar a estrutura dos microorganismos, logo certos níveis permissíveis de tensões cisalhantes tornam-se restrições. Tal fato constitui uma das causas dos avanços na tecnologia de reatores, em função do aumento do uso de cultura de células animais e vegetais, as quais são mecanicamente menos robustas, em processos industriais. O emprego proveitoso destas novas tecnologias demanda melhores projetos de biorreatores e condições de operação mais adequadas. A magnitude das tensões cisalhantes podem alterar o bioprocesso através de modificações na morfologia dos microorganismos, pois quando submetidos a determinados níveis de tensões os microorganismos deixam de apresentar crescimento através de estruturas livres no meio reacional, passando a apresentar um crescimento em forma de pellets, o que intensifica as limitações associadas à transferência de oxigênio em função do surgimento da transferência de oxigênio intrapartícula (CHISTI, 1989).

Embora o mais comum biorreator industrial para fermentações aeróbicas, seja o tanque agitado com a injeção de gás, o mesmo não é o melhor projeto para o cultivo de microorganismos. Primeiramente, porque o gás atravessando o tanque é limitado pelo critério de transbordamento associado a presença de agitadores; segundo, o grau de agitação exigido para obter a transferência de massa desejada do oxigênio molecular, em muitos casos, pode causar danos aos microorganismos que passam na zona de alta tensões cisalhantes, próximas aos agitadores. Além disso, a energia mecânica fornecida ao meio reacional para se alcançar a transferência de massa adequada e a mistura desejada não é somente muito alta, o que implica em perdas no que se refere a economia de energia, como também, a energia mecânica adicionada, a qual é dissipada na forma de calor no biofluido , será removida pelo controle de temperatura. Um outra importante consideração para a maioria dos bioprocessos é a necessidade de operações de limpezas e assepsias, o que

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relativamente complexa ratifica as dificuldades de manter a prevenção de contaminação, essencial para um bom funcionamento do reator por espécies indesejadas de microorganismos. Devido sua complexidade, os vasos agitados são mais caros e menos robustos que os vários outros tipos possíveis de biorreatores. Para finalizar, fluidos muito viscosos e não-newtoniano, quando alimentados em tanques agitados, propiciam o surgimento de zonas de aeração confinada às regiões próximas dos agitadores e ocorrem canalizações de gás nestas zonas; enquanto isso, a maioria do resto do volume reacional contida no vaso permanece quase estagnada. Vale ressaltar que grande parte das misturas reacionais contendo bactérias e leveduras apresentam-se como uma suspensão newtoniana que apresenta a viscosidade muito próxima da viscosidade da água, porém algum sistemas fermentativos contendo bactérias ou leveduras podem apresentar-se altamente viscosos e não-newtoniano (CHISTI, 1989).

O reconhecimento das deficiências dos biorreatores agitados tem estimulado as investigações de outros possíveis projetos. Destes, destacam-se os Bubble Column Reactors e sua várias configurações, tendo os Reatores Air-Lift como os que provavelmente apresentam um notável potencial (CHISTI, 1989).