Reator biológico

Um reator biológico ou biorreator corresponde a um volume onde decorrem reações biológicas^[1], são muito utilizados na biotecnologia, comumente para a produção de: vacinas, hidrogênio, vinagre, hormônios, bebidas alcoólicas, alimentos fermentados, remédios e muitos outros produtos.

Bioreactor em aço inoxidável para instalações de produção

Tipos de Biorreatores

Existem diversos tipos e classificações para biorreatores^[2], para cada processo há a necessidade de escolher diversos parâmetros e a combinação destes leva a escolha das características do biorreator.

Algumas subdivisões de tipos de biorreatores e suas características são apresentadas a seguir, ressalta-se que o modelo escolhido para cada processo pode vir a ser uma combinação de vários deles:

Presença de oxigênio

De acordo com a presença de oxigênio, um biorreator pode ser classificado como:

• Aeróbio - quando as reações biológicas decorrem na presença de oxigênio livre (${\displaystyle O_{2}}$);
• Anóxico - quando as reações biológicas decorrem somente na presença de oxigênio combinado (e.g.: ${\displaystyle NO_{3}}$). As bactérias aeróbias têm de romper as ligações do oxigênio com outros elementos para se oxigenar;
• Anaeróbio - quando as reações biológicas decorrem na ausência total de oxigênio. Estas reações biológicas são promovias por bactérias anaeróbias estritas ou bactérias anaeróbias facultativas.

Modo de funcionamento

• Batelada
• Batelada alimentada
• Contínuo

Sistema de agitação

• Tanque Agitado
• Fluxo Pistonado
• Escoamento em vórtices de Taylor^[3]
• Gotejamento
• Pneumático
• Tipo Wave

Modelo

• Digestor anaeróbio de fluxo ascendente
• Estado Sólido
• Fibra Oca
• Fotobiorreator
• Leito Fixo
• Leito Fluidizado

Modelos Hidráulicos

Os reatores biológicos obedecem a diferentes modelos hidráulicos:

• Modelo de fluxo Pistão - A difusão lateral e a mistura podem ser nulos, isto é, uma dada massa do liquido passa através do reator sem que ocorram processos de mistura no seu percurso^[4].
• Modelo de Mistura completa - O conteúdo do reator é homogêneo e igual concentração do efluente^[4].
• Modelo de escoamento disperso - Modelo que tem um comportamento misto entre o de fluxo pistão e mistura completa.
• Batch - Modelo em que o afluente permanece no reator em estágio durante algum tempo e depois é descarregado.

Modelo de Fluxo Pistão

${\displaystyle S_{e}=S_{a}\cdot e^{-k\cdot t}}$

Onde,

• ${\displaystyle S_{a}}$ - concentração de substrato à entrada do reator, ${\displaystyle {\frac {mg}{L}}}$;
• ${\displaystyle S_{e}}$ - concentração de substrato à saída da lagoa, ${\displaystyle {\frac {mg}{L}}}$;
• t - tempo de retenção hidráulica;

Modelo de Mistura Completa

${\displaystyle S_{e}={\frac {S_{a}}{1+k\cdot t}}}$

Para o caso de reatores em série :

${\displaystyle S_{e}={\frac {S_{a}}{\left(1+k\cdot t\right)^{n}}}}$

Onde,

• n - número de reatores iguais em serie;
• t - tempo de retenção hidráulico por reator.

Modelo de Escoamento Disperso

${\displaystyle S_{e}=S_{a}\cdot \left({\frac {4\cdot a\cdot e^{\frac {1}{2\cdot d}}}{\left(1+a\right)^{2}\cdot e^{\frac {a}{2\cdot d}}-\left(1-a\right)^{2}\cdot e^{-{\frac {a}{2\cdot d}}}}}\right)}$

${\displaystyle a={\sqrt {1+4\cdot k\cdot t\cdot d}}}$

${\displaystyle d={\frac {D}{U\cdot L}}}$

Onde,

• n - número de reatores iguais em serie;
• t - tempo de retenção hidráulico por reator;

Valores típicos de ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ para diversas unidades de tratamento águas residuais :

• Tanque de sedimentação - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 0,2-2,0
• Tanques de arejamento de lamas ativadas :
  • Longo (plug flow) - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 0,1-1,0.
  • mistura completa - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 3,0-4,0$ e superior.

Lagoas:

• Tanques em série e tanques longos - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 0,1-1,0.
• Tanques simples - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 3,0-4,0 e superior.

Lagoas arejadas:

• Retangulares - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 0,2-1,0.
• Quadradas - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 3,0-4,0 e superior.
• Valas de Oxidação - ${\displaystyle {\frac {D}{U\cdot L}}}$ = 3,0-4,0 e superior.

Critério empírico para estimar o valor do coeficiente de dispersão D:

Para lagoas e tanques com largura superior a 30 m :

• Com separadores, ${\displaystyle D=33\cdot L}$
• Sem separadores, ${\displaystyle D=16,7\cdot L}$

Para lagoas e tanques com largura inferior a 10 m :

• Com separadores, ${\displaystyle D=11\cdot L^{2}}$
• Sem separadores, ${\displaystyle D=2\cdot L^{2}}$

onde,

• D - Coeficiente de dispersão${\displaystyle \left({\frac {m^{2}}{h}}\right)}$
• L - largura, (m)

Referências

1. Mandenius, Carl-Fredrik (2016). Bioreactors: Design, Operation and Novel Applications. [S.l.]: Wiley-VCH 
2. «Biorreatores» 
3. «BIORREATOR DE ESCOAMENTO EM VÓRTICES DE TAYLOR PARA CULTIVO CELULAR» 
4. Oliveira, J. F. S (1995). A Lagunagem em Portugal - Conceitos Básicos e Aplicações Práticas. [S.l.]: Edições Universitárias Lusófonas 

Bibliografia

• Arceivala, S. J. (1981), Wastewater Treatment and Disposal (part I and II), Marcel Dekker, inc.
• Metcalf & Eddy (2003), Wastewater Engineering - Treatment and Reuse, 4th Edition, MacGraw-Hill Inernatinal Edition.

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