Os fatores a serem considerados no projeto de reatores para o cultivo em estado sólido e controle de parâmetros diferem dos cultivos com células em suspensão. A fase gasosa existente entre as partículas do meio sólido é de grande importância uma vez que o ar apresenta uma condutividade térmica bem inferior à da água. Outro ponto importante é a variedade de matrizes usadas nestes cultivos, as quais variam de composição, granulometria, resistência mecânica, porosidade e capacidade de retenção de água.
Os biorreatores geralmente utilizados para os processos em estado sólido são do tipo bandeja, leito fixo, agitados e de leito fluidizado gás-sólido (Durand et al., 1997; Mitchell et al., 2000).
Os biorreatores de bandeja caracterizam-se por sua simplicidade, uma vez que o substrato é disposto em bandejas normalmente perfuradas, facilitando a convecção do ar. Neste tipo de biorreator não há aeração forçada nem agitação
mecânica. Desta forma, para evitar o aquecimento metabólico e para manter as condições aeróbias são utilizadas camadas finas de substrato.
Nos biorreatores de leito fixo ocorre a aeração forçada através da camada de substrato. Muitas variações de projeto são possíveis, sendo que para uso em laboratórios esses reatores são tipicamente colunas cilíndricas de vidro ou plástico. O controle da temperatura é feito através de imersão em banho térmico termostatizado ou através do uso de colunas encamisadas. A própria aeração permite o controle da temperatura ao forçar a evaporação da água presente no substrato (Durand et al., 1997).
Os biorreatores agitados compreendem tambores rotativos e os estáticos, onde outros sistemas de agitação tais como agitadores mecânicos promovem a mistura do meio sólido (Figura 3.7), sendo classificados como de mistura e aeração forçada (Michell et al., 2000). Nesses casos, quando a mistura é contínua, assume-se mistura perfeita dentro do biorreator, e as contribuições mais importantes para o balanço de energia dentro do leito de substrato são a geração de calor; a remoção de calor por convecção; e a evaporação da água na corrente de ar do sistema. No caso de mistura intermitente o comportamento de leito empacotado deve ser considerado no período estático.
Nos reatores de leito fluidizado gás-sólido, o gás é soprado ascendentemente através da base perfurada a uma velocidade suficiente para fluidizar as partículas do substrato, podendo ser utilizados dispositivos que quebrem possíveis aglomerados. A coluna é alta o bastante para promover a expansão do leito e a velocidade do fluxo de ar deve permitir uma eficiente transferência de calor e massa através das partículas de substrato e a fase gasosa (Mitchell, et al., 2000). Para contornar as limitações de transferência de massa devido à presença de aglomerados, Tanaka et al., 1986, avaliaram o cultivo de leveduras em fermentador de leito fluidizado gás-sólido com agitadores. Segundo estes autores, o leito fluidizado permite a manutenção das características ótimas de crescimento dos microrganismos, melhor suprimento de água e nutrientes e remoção do calor metabólico e gás carbônico produzidos.
A Figura 3.8 apresenta o esquema típico de colunas de leito fixo (colunas de Raimbault). Este sistema possibilita a aeração das culturas e análise da respiração microbiana (Durand, 2003). Além disso, a pequena quantidade de meio sólido e a geometria das colunas permitem a manutenção da temperatura dos reatores. Nesse sentido, a Figura 3.9 apresenta esquema de coluna de leito fixo com volume de aproximadamente 1L, onde a temperatura e a quantidade de água do meio podem ser monitoradas, havendo controle da umidade relativa e vazão de ar de alimentação.
Figura 3.7 Biorreatores de mistura e aeração forçada (Adaptado de Mitchell, et al., 2000)
Figura 3.8 Esquema das colunas de leito fixo em escala de laboratório (Colunas de Raimbault) (Adaptado de Durand, 2003)
Figura 3.9 Esquema de coluna esterilizável para escala de laboratório (1) colunas (2) termopar; (3) coluna de vidro; (4) termopar para ar de entrada da coluna, (5) termohigrômetro, (6) aquecedor, (7) termopar para temperatura da água, (8) rotâmetro (9) medidor de nível (10) jaqueta térmica (Adaptado de Durand, 2003)
algodão substrato ar água fria água fria água estéril ar estéril
Modelos de desempenho dos reatores de leito fluidizado têm desconsiderado o balanço de energia devido à eficiência da transferência de calor interpartículas. No entanto, muita atenção vem sendo dada aos processos de difusão intrapartícula. O volume de ar ocupado dentro do substrato compreende a fração de vazios na partícula e depende da porosidade e umidade do substrato. Teores de umidade elevados fazem com que a fração de vazios do leito de sólidos seja ocupada pela água, limitando a transferência de oxigênio e criando condições anaeróbias. Por outro lado, teores de umidade baixos limitam a formação de biofilme, inibindo o crescimento dos microrganismos (Ramana Murthy et al., 1993). A transferência de massa intrapartícula refere-se também ao transporte de nutrientes e enzimas no interior do substrato sólido. Assim, devem ser considerados aspectos como a degradação do substrato sólido pelas enzimas secretadas no meio de fermentação. A relação entre o crescimento fúngico e os fenômenos de transferência de massa é bastante complexa e os modelos matemáticos auxiliam a descrição desse comportamento e o entendimento dos processos.
A Figura 3.10 apresenta de uma maneira geral um sistema de leito fixo e nas condições mínimas de fluidização. Os sólidos serão suspensos quando a queda de pressão exceder a sua massa, quando a velocidade do gás atinge a velocidade mínima de fluidização (Kunii & Levenspiel, 1997). De acordo com a classificação de sólidos proposta por Geldart, materiais agrícolas tais como farelo de trigo, milho ou soja são partículas coesivas, de difícil fluidização devido a formação de aglomerados e caminhos preferenciais no leito.
Figura 3.10 Sistemas em leito fixo e nas condições mínimas de fluidização (Adaptado de Kunii & Levenspiel, 1997)
Estes biorreatores de leito fluidizado ou seus variantes têm sido utilizados para produção de biomassa e enzimas fúngicas por leveduras. Nesse sentido, Tanaka et al. (1986), utilizaram um reator de leito fluidizado com agitadores para produção de biomassa de Saccharomyces cereviseae e enzimas por Eupenicillium javanicum. Estes autores constataram que as células de leveduras tiveram uma taxa de consumo de oxigênio alta e um consumo de glicose baixo, indicando aerobiose, resultado do excessivo suprimento de oxigênio com elevada vazão de ar durante a fluidização do leito. A produtividade de enzimas por leito fluidizado foi duas vezes superior aos cultivos em leito fixo, considerando massa seca das células e atividade enzimática.