Reator biológico

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

Tipos de Biorreatores

Existem diversos tipos e classificações para biorreatores, 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 ( $O_{2}$ );
Anóxico - quando as reações biológicas decorrem somente na presença de oxigênio combinado (e.g.: $N O_{3}$ ). 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

Sistema de agitação

Tanque Agitado
Fluxo Pistonado
Escoamento em vórtices de Taylor
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.
Modelo de Mistura completa - O conteúdo do reator é homogêneo e igual concentração do efluente.
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

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

Onde,

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

Modelo de Mistura Completa

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

Para o caso de reatores em série :

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

Onde,

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

Modelo de Escoamento Disperso

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

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

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

Onde,

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

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

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

Lagoas:

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

Lagoas arejadas:

Retangulares - $\frac{D}{U \cdot L}$ = 0,2-1,0.
Quadradas - $\frac{D}{U \cdot L}$ = 3,0-4,0 e superior.
Valas de Oxidação - $\frac{D}{U \cdot L}$ = 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, $D = 33 \cdot L$
Sem separadores, $D = 16, 7 \cdot L$

Para lagoas e tanques com largura inferior a 10 m :

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

onde,

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

Referências

↑ Mandenius, Carl-Fredrik (2016). Bioreactors: Design, Operation and Novel Applications. [S.l.]: Wiley-VCH
↑ «Biorreatores» ^{[ligação inativa]}
↑ «BIORREATOR DE ESCOAMENTO EM VÓRTICES DE TAYLOR PARA CULTIVO CELULAR»
1 2 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.

Este artigo sobre engenharia (genérico) é um esboço. Você pode ajudar a Wikipédia expandindo-o.

[1] Mandenius, Carl-Fredrik (2016). Bioreactors: Design, Operation and Novel Applications. [S.l.]: Wiley-VCH

[2] «Biorreatores» ^{[ligação inativa]}

[3] «BIORREATOR DE ESCOAMENTO EM VÓRTICES DE TAYLOR PARA CULTIVO CELULAR»

[:0-4] 1 2 Oliveira, J. F. S (1995). A Lagunagem em Portugal - Conceitos Básicos e Aplicações Práticas. [S.l.]: Edições Universitárias Lusófonas