Bioreactoare

REACTOARE BIOCHIMICE

Bioreactorul sau fermentatorul este utilajul în care se realizează cultura de microorganisme sau procesul de bioconversie şi este considerat inima procesului tehnologic.

Rentabilitatea unui proces biochimic (caracterizat prin viteze scăzute de reacţie,

concentraţii finale reduse ale produşilor, viscozitate mare a mediului şi comportare reologică nenewtoniană, consumuri energetice ridicate necesare prelucrării unor volume mari de lichide, amestecare, aerare etc.) depinde în mare măsură de condiţiile de operare ale fermentatorului şi de volumul său. Volumul bioreactoarelor variază în limite foarte largi de la câteva sute de litri la zeci de mii de m3. Câteva exemple în acest sens sunt prezentate în continuare:

Domeniul de utilizare Volum, m3

Epurarea biologică a apelor uzate (cu nămol activ) 25.000 - 30.000

Biomase proteice 1500 - 2000

Fabricarea berii 300 - 500

Obţinerea de acizi carboxilici (citric, lactic) 200 - 300

Obţinerea drojdiei de panificaţie 200

Fabricarea de antibiotice 100 - 200

Fabricarea iaurtului 10

Fabricarea pâinii 1

Clasificarea bioreactoarelor se face în funcţie de o serie de criterii şi anume:

-Natura proceselor biochimice, se definesc ca

- reactoare biochimice reactoarele utilizate pentru procese de bioconversie, adică procese

catalizate de enzime sau celule, libere sau imobilizate;

- reactoare biologice - fermentatoare reactoarele utilizate în procese de transformare a

substratului în prezenţa microorganismelor.

-Modul de amestecare

- bioreactoare cu amestecare mecanică echipate cu amestecătoare (agitatoare) de diferite

tipuri constructive;

- bioreactoare cu amestecare pneumatică în care amestecare se realizează prin barbotarea

unui gaz (aer, dioxid de carbon, metan etc.); funcţie de tipul constructiv şi funcţional se

deosebesc:

- bioreactoare tip coloană

- bioreactoare tip air-lift cu circulaţie internă sau externă

- bioreactoare cu strat fluidizat;

- bioreactoare cu amestecare hidraulică, care se bazează pe circulaţia sau recircularea

mediului cu ajutorul pompelor. Din acest punct de vedere sunt bioreactoare cu circulaţie

internă sau externă, cu duze (jet) exterioare şi interioare (înecate), cu pulverizare, cu strat

fluidizat sau cu contact multiplu,

- bioreactoare cu amestecare mixtă. -Modelul de curgere

- cu amestecare perfectă în care în orice punct din interiorul mediului parametri procesului

(concentraţi, temperatură, pH) au aceeaşi valoare;

- cu deplasare totală în care valorile parametrilor variază pe direcţia de curgere.

Ambele modele sunt ideale, comportarea reală situându-se între cele două modele ideale. -Modul de funcţionare

- discontinue, lucrează în şarje;

- semicontinue, unul sau mai mulţi componenţi ai mediului de alimentează în mod continuu,

în limita volumului util al vasului;

1

- continue, recomandate pentru cantităţi mari de mediu, funcţionează în regim staţionar;

- cu recirculare, realizează o creştere a gradului de asimilare a substratului şi asigură un

transfer termic şi de masă eficient.

-Regimul termic

Bioreactoarele pot funcţiona în regim:

- izoterm;

- adiabat;

- neizoterm, neadiabat.

-Necesarul de oxigen

Corespunzător naturii microorganismelor care realizează transformarea de substrat, bioreactoarele pot fi:

- aerobe;

- anaerobe.

-Volumul utilajului

Din acest punct de vedere:

- bioreactoarele cu volume mai mici de 50 l sunt considerate de laborator;

- cele cu volume cuprinse între 50 l şi 5 m3 -pilot;

- utilajele care depăşesc ca volum 5 m3 sunt bioreactoare industriale.

În alegerea sau conceperea unui bioreactor trebuie să se ţină seama nu numai de

caracteristicile procesului biochimic ci şi de alte câteva considerente, printre care:

o să permită curăţare şi sterilizare simplă şi rapidă, inclusiv pentru echipamentele conexe;

o să realizeze un transfer de căldură şi de masă (în special pentru oxigen, în cazul proceselor

aerobe) eficient;

o să permită un control eficient al spumării;

o să permită folosirea unor materiale de construcţie care să nu interacţioneze cu mediul nutritiv,

material care să nu conţină elemente cu caracter inhibitor;

o să fie caracterizat prin flexibilitate, adică posibilitatea utilizării utilajului în diferite procese; o costuri cât mai reduse de investiţie şi operare.

BIOREACTORUL CU AMESTECARE MECANICĂ - reprezintă unul dintre cele mai utilizate tipuri de bioreactoare; particularităţile constructive şi de funcţionare care deosebesc bioreactoarele din această categorie se referă la tipul de agitare, tipul de barbotor (pentru cele aerobe), sistemul de transfer termic, etc.

Modelul clasic de bioreactor este construit dintr-un recipient cilindric (virolă) din OL inox sau sticlă (pentru capacităţi de până la 30 l) prevăzut cu fund şi capac elipsoidal.

În funcţie de capacitate (gradul de încărcare), amestecarea se realizează cu ajutorul unui agitator simplu sau multiplu, la care se pot adăuga şicane.

Regimul termic este asigurat prin intermediul unei mantale, în care circulă agent termic, şi cu ajutorul unor serpentine interioare.