Reactores Biológicos: Fundamentos e Aplicações

Os reactores biológicos, que constituem o elemento fundamental de qualquer processo biotecnológico, são as unidades processuais onde ocorre a reacção biológica, tendo uma multiplicidade de aplicações, desde a obtenção de produtos de alto valor acrescentado (tais como biofármacos produzidos em reactores operados em condições de assepsia, com um volume de dezenas a milhares de litros), até à sua utilização em sistemas de tratamento de efluentes, onde a capacidade do reactor pode atingir os milhares de metros cúbicos. Com esta obra o leitor terá uma perspectiva das diferentes componentes envolvidas no projecto e operação de reactores biológicos. Escrito na óptica da concepção do reactor e da sua utilização, este livro encontra-se dividido em duas partes: a primeira aborda os fundamentos dos reactores biológicos, incluindo os fenómenos de transferência e as operações unitárias, a geometria e os pormenores construtivos de relevo, além dos cuidados de monitorização; a segunda parte (aplicações) trata da descrição do tipo de reactor mais adequado para o tipo de produto que se pretende obter. É um livro prioritariamente dirigido aos alunos do ensino universitário e politécnico, ligados às ciências de engenharia e às ciências da vida, tanto em pré-graduação como em pós-graduação. É igualmente importante para formação e actualização, não só dos profissionais ligados a sectores nos quais a Biotecnologia tem um papel de relevo, mas também dos professores do ensino secundário. Estequiometria e Cinética dos Processos Microbianos Mistura Transferências de Massa, Calor e Esterilização Medição das Variáveis Principais Projecto e Construção de Fermentadores Industriais Reactores: com Culturas de Microrganismos; de Tratamento Aeróbio e Anaeróbio; de Biofilmes; para Produção de Proteínas Recombinantes; para Cultura de Células Vegetais e Animais Lista de Autores V Nota Introdutória XXI Agradecimentos XXII Prefácio XXIII Nomenclatura XXV Parte I - FUNDAMENTOS 1 1. Estequiometria e Cinética dos Processos Microbianos 3 M. Manuela da Fonseca 1.1 Introdução 3 1.2 Estequiometria das reacções 3 1.3 Cinética de crescimento, consumo e produção 7 1.4 Equações gerais de balanço à biomassa, substratos e produtos 24 1.5 Exercícios 25 2. Geometrias e Modos de Operação 27 José A. Teixeira, M. Manuela da Fonseca, António A. Vicente 2.1 Introdução 27 2.2 Geometrias-tipo: reactores com e sem agitação mecânica 27 2.3 Modos de operação 32 2.4 Outras configurações/modos de operação 56 2.5 Selecção de um reactor biológico 61 2.6 Exercícios 63 3. Mistura 69 Sebastião S. Alves, José A. Teixeira, Jorge M. T. Vasconcelos, Nuno Reis 3.1 Introdução: a importância da mistura 69 3.2 Fundamentos 69 3.3 Biorreactores descontínuos: o tempo de mistura 71 3.4 Biorreactores em contínuo: desvios à idealidade 90 4. Transferência de Massa 103 José A. Teixeira, António A. Vicente, Isabel Belo 4.1 Introdução 103 4.2 Transferência de massa gás-líquido 107 4.3 Estratégias alternativas de fornecimento de oxigénio 115 4.4 Transferência de massa na fase líquida 116 4.5 Transferência de massa líquido-sólido 117 4.6 Transferência de massa na fase sólida 119 5. Transferência de Calor e Esterilização 125 Dina Mateus, M. Manuela da Fonseca 5.1 Introdução 125 5.2 Transferência de calor 125 5.3 Esterilização de meios de cultura pelo calor 136 5.4 Exercícios 147 6. Medição das Variáveis Principais 153 Maria Henriques L. Ribeiro, Bruno Sommer Ferreira 6.1 Introdução 153 6.2 Medição da biomassa 153 6.3 Medição da temperatura 161 6.4 Medição de pH 163 6.5 Medição do oxigénio dissolvido 164 6.6 Medições na fase gasosa 166 6.7 Considerações finais 171 7. Escala Laboratorial e Escala Industrial 173 Carla C. C. R. de Carvalho, Bruno Sommer Ferreira, M. Manuela da Fonseca 7.1 Introdução 173 7.2 Critérios para aumento de escala 175 7.3 Considerações e exemplos de aumento de escala 181 7.4 Redução de escala 183 7.5 Exercícios 189 8. Modelação, Monitorização e Controlo de Reactores Biológicos 193 Eugénio C. Ferreira, Sebastião Feyo de Azevedo 8.1 Introdução 193 8.2 Modelo da dinâmica de reactores biológicos 196 8.3 Monitorização industrial 206 8.4 Controlo de reactores biológicos 220 9. Projecto e Construção de Fermentadores Industriais 231 Manuel Eduardo Fernandes 9.1 Introdução 231 9.2 O projecto de um fermentador - alguns aspectos a considerar 232 9.3 Operações a realizar para alcançar e manter o fermentador em condições de esterilidade 262 Parte II - APLICAÇÕES 275 10. Produção de Cerveja 277 José M. Machado Cruz 10.1 Introdução 277 10.2 O processo cervejeiro 278 10.2.1 Fabricação do mosto 279 10.2.2 Fermentação 290 10.2.3 Fermentador 300 10.2.4 Operações de acabamento 303 10.2.5 Uma fábrica de cerveja num relance 304 11. Produção de Tetraciclinas 307 Joaquim Pereira Cardoso 11.1 Introdução 307 11.2 Modos de acção das tetraciclinas 308 11.3 Produção de tetraciclinas 310 11.4 Isolamento dos antibióticos dos caldos fermentados 318 12. Produção de Levedura de Panificação 327 J. Pinto da Cunha, João Bártolo 12.1 Introdução 327 12.2 Qualidade da levedura de panificação 328 12.3 Descrição do processo 330 12.4 Controlo de qualidade 337 13. Reactores de Tratamento Aeróbio 343 Helena M. Pinheiro, Nídia Dana Lourenço 13.1 Introdução 343 13.2 Descrição do processo 348 13.3 Descrição de reactores e condições de operação 359 14. Reactores para Tratamento Anaeróbio 373 Madalena Alves, Manuel Mota 14.1 Introdução 373 14.2 O processo de degradação anaeróbia 373 14.3 Factores que determinam a actividade biológica anaeróbia 375 14.4 Processo anaeróbios versus processos aeróbios 378 14.5 Reactores anaeróbios para tratamento de efluentes 379 14.6 Aplicações 387 15. Reactores de Biofilme 393 Maria João Vieira, Rosário Oliveira 15.1 Introdução 393 15.2 Vantagens e desvantagens de reactores de biofilme 394 15.3 Exemplos dos tipos mais comuns de reactores de biofilme (leitos fixos e móveis) e exemplos de aplicação 395 15.4 Especificidades de operação de um reactor de biofilme 401 15.5 Estrutura do biofilme 403 15.6 Limitações difusionais de transferência de massa 404 15.7 Caracterização hidrodinâmica 404 15.8 Arranque do reactor 405 15.9 Controlo do crescimento do biofilme 405 15.10 Influência do modo de formação do biofilme na sua morfologia 407 16. Reactores para a Produção de Proteínas Recombinantes 411 Lucília Domingues, Nelson Lima 16.1 Introdução 411 16.2 A tecnologia do DNA recombinante 412 16.3 A especificidade das culturas recombinantes 413 16.4 A contenção biológica das culturas recombinantes 417 16.5 A produção de proteínas recombinantes 418 16.6 Considerações finais 439 17. Reactores para Cultura de Células Vegetais 441 M. Emília Lima-Costa, Sara Raposo 17.1 Introdução 441 17.2 Descrição de um processo utilizando cultura de células vegetais 446 17.3 Descrição do reactor e condições de produção 448 18. Reactores para Cultura de Células Animais 455 Cláudia Lobato da Silva, Bruno Sommer Ferreira, Joaquim M. S. Cabral 18.1 Introdução 455 18.2 Cultura de células animais 455 18.3 Sistemas de biorreactores para cultura de células animais 461 18.4 Exemplo - expansão de células hematopoiéticas estaminais humanas 479 18.5 Considerações finais