No campo da biofermentação, os tanques de fermentação de vidro sempre foram os equipamentos preferidos pelos profissionais de otimização de processos, especialmente em laboratórios e em pequena escala. Os tanques de fermentação em vidro são transparentes e intuitivos, fáceis de limpar e relativamente acessíveis, atendendo às necessidades de cultivo da maioria dos microrganismos. Os tanques de fermentação de vidro de 5L são particularmente populares.
I. Material do tanque A escolha de um tanque de fermentação de vidro adequado começa com a consideração do material do tanque. O vidro borossilicato de alta qualidade é atualmente reconhecido como a melhor opção, uma vez que combina estabilidade química, propriedades térmicas e transparência física. O processo de fermentação é essencialmente a atividade metabólica dos microrganismos num ambiente artificial. O caldo de fermentação tem uma composição complexa, incluindo sais inorgânicos, sistemas tampão e ácidos orgânicos, enzimas e metabolitos segregados pelos microrganismos. O vidro borossilicato de elevada pureza, devido à introdução de uma grande quantidade de trióxido de boro durante o seu processo de fabrico, forma uma estrutura de rede de silício-oxigénio altamente estável, conferindo-lhe uma extrema resistência à água, aos ácidos, aos álcalis e a diversos solventes orgânicos. Este tanque inerte não liberta elementos adicionais no caldo de fermentação nem adsorve os seus componentes ativos, garantindo assim a autenticidade dos dados e a consistência do lote.
Em termos de propriedades térmicas, o vidro borossilicato de elevada pureza resolve o problema mais crítico de fiabilidade dos materiais vítreos. Os tanques de fermentação são quase invariavelmente submetidos a esterilização a alta temperatura e devem alternar entre a temperatura ambiente, a temperatura de esterilização e a temperatura de cultivo. Estas drásticas alterações de temperatura impõem exigências extremamente elevadas à resistência do material ao choque térmico. O vidro borossilicato de elevada pureza possui um coeficiente de expansão térmica de apenas cerca de um terço do do vidro comum, permitindo suportar diferenças instantâneas de temperatura de centenas de graus Celsius sem sofrer danos. Do ponto de vista da observação do processo, a transparência do vidro borossilicato de alta qualidade confere-lhe um valor único, insubstituível por qualquer metal. Os operadores necessitam de monitorizar constantemente as alterações das condições do tanque, e o vidro borossilicato de alta qualidade não só possui uma elevada transmitância luminosa, como também não amarelece facilmente com o uso prolongado, mantendo um campo de visão sempre excelente. Através das paredes do tanque, os técnicos podem avaliar diretamente se a agitação é uniforme, se a camada de espuma está demasiado alta, se as células microbianas estão aglomeradas ou aderidas, e até mesmo perceber o estado metabólico através de alterações de cor. Esta informação visual intuitiva é frequentemente mais direta do que os dados dos sensores.
II. Volume
O volume nominal de um fermentador de vidro de 5L refere-se ao volume total do tanque de 5 litros, mas o enchimento real com líquido é geralmente controlado em cerca de 70%, o que corresponde a aproximadamente 3,5L de meio de cultura. Se o tanque for enchido em excesso, a espuma tende a transbordar durante a agitação, obstruindo o filtro de escape e até mesmo provocando contaminação; se for preenchido em quantidade insuficiente, afeta a eficiência económica. A relação diâmetro/altura é frequentemente desprezada; o design mais comum é um formato alongado com uma proporção de aproximadamente 1:2,2 a 1:2,5. Esta relação pode prolongar o tempo de permanência das bolhas de ar no líquido, melhorar o coeficiente de transferência de oxigénio (valor kLa) e é particularmente adequada para o cultivo de alta densidade de microrganismos aeróbios, como Escherichia coli, leveduras ou Bacillus subtilis. Se a sua experiência for sensível ao cisalhamento (como certos fungos ou células animais), pode optar por uma proporção ligeiramente mais pequena e mais larga, mas, no geral, 1:2,5 é a escolha mais equilibrada.
III. Método de Esterilização
O método de esterilização é um fator crucial na seleção de frascos de vidro para laboratório. A esterilização fora do local é atualmente a opção mais comum para os fermentadores de vidro de 5 L em laboratórios. O procedimento envolve, em primeiro lugar, a remoção da tampa superior de aço inoxidável do reator, o despejo do meio de cultura previamente preparado, o fecho da tampa e, por fim, a colocação de todo o fermentador (incluindo o corpo do tanque, elétrodos, frascos de alimentação, tubos e outros acessórios) numa autoclave para esterilização. As vantagens são a estrutura simples do reactor e o baixo custo de fabrico (30% a 100% mais barato que a esterilização in situ); é adequado para a maioria dos cenários de ensino, rastreio de estirpes e investigação de rotina. A desvantagem é a necessidade de desmontagem, montagem e manuseamento antes e depois de cada experiência, o que consome tempo. Embora a esterilização fora do local seja um pouco mais trabalhosa, oferece uma elevada relação custo-benefício; desde que a autoclave comporte o corpo do tanque de 5 L e os acessórios, a esterilização fora do local é a solução ideal.
A esterilização in situ envolve a introdução direta de vapor a alta temperatura no fermentador e na camisa de aquecimento após a instalação, através da tubagem de vapor, válvulas e sistema de controlo integrados no equipamento. Isto elimina a necessidade de desmontagem e é particularmente adequado para processos que exigem trocas frequentes de lotes ou que exigem esterilidade extrema para validação em escala ampliada. Para os fermentadores de vidro, o aquecimento/arrefecimento rápido e as flutuações de pressão durante a esterilização in situ geram um stress térmico significativo, podendo facilmente levar à falha da vedação da interface ou a danos nos elétrodos. O equipamento requer ainda geradores de vapor adicionais, válvulas automáticas, sensores de pressão e um design de vidro reforçado, aumentando significativamente os custos. A reparação em caso de problemas também é mais difícil. Portanto, a esterilização in situ é relativamente rara em tanques de vidro e encontra-se principalmente em tanques de aço inoxidável.
IV. Sistema de Agitação O sistema de agitação determina a uniformidade da mistura, a transferência de oxigénio e o controlo da força de cisalhamento, sendo o "coração" do fermentador. Para reatores de vidro de 5 L utilizados para fermentação microbiana, é normalmente utilizado um servomotor CC de 100-300 W ou um motor CA de frequência variável para agitação. Estes motores são pequenos, silenciosos, não requerem manutenção e oferecem uma regulação precisa e contínua da velocidade. Também suportam o controlo PID digital, facilitando a integração com o controlador de fermentação para ajustar o oxigénio dissolvido e a força de cisalhamento. Os motores assíncronos comuns devem ser evitados devido à sua baixa precisão na regulação da velocidade, que não cumpre os requisitos de estabilidade e repetibilidade da fermentação.
Os empanques mecânicos são um método comum de selagem dinâmica em sistemas de agitação para fermentadores de vidro, utilizados principalmente em sistemas de agitação mecânica com entrada superior. Os empanques mecânicos podem ser divididos em empanques mecânicos de face simples e empanques mecânicos de face dupla. Os primeiros consistem apenas num conjunto de anel rotativo (que roda com o eixo) e anel fixo (fixo à tampa do tanque), dependendo da autolubrificação do meio de cultura no interior do tanque. Possuem uma estrutura simples, baixo custo e transmissão de binário eficiente, sendo adequados para reatores de vidro de laboratório. Estes últimos dependem de dois conjuntos de vedantes de face única ligados em série, formando uma câmara de lavagem no meio, através da qual é introduzido um fluido de vedação especial, criando uma dupla barreira. Mesmo que exista uma pequena fuga interna, os contaminantes externos não podem entrar, resultando numa maior higiene.
A agitação por acoplamento magnético na base é uma solução comum para a agitação asséptica em biorreatores de vidro de 5L para fermentação microbiana. A diferença visual mais significativa é a ausência de motor na tampa superior, enquanto o biorreator possui uma base adicional. O motor está instalado na parte inferior e o anel magnético exterior gira com o motor, acionando o anel magnético interior (integrado no veio de agitação e no impulsor) através de um forte acoplamento magnético. Isto evita que o veio do agitador penetre em qualquer parede ou tampa do tanque, eliminando a necessidade de empanques mecânicos ou juntas e permitindo uma transmissão completamente sem contacto. As vantagens da agitação por acoplamento magnético incluem a extrema esterilidade, a eliminação completa das zonas mortas e os riscos de fuga associados à penetração do veio, a ausência de desgaste dos vedantes, a dispensa de substituição regular dos anéis de vedação ou lubrificação e a longa vida útil. Além disso, gera mistura axial e radial de baixo para cima, resultando numa distribuição mais uniforme do gás (quando utilizado com um jato anular) e, frequentemente, numa maior transferência de oxigénio dissolvido (kLa), especialmente com meios de baixo volume ou alta viscosidade. A força de cisalhamento é relativamente suave, sendo mais adequada para estirpes sensíveis (como certos fungos filamentosos). A desvantagem é o risco de desacoplamento no acoplamento magnético. Se a viscosidade do meio aumentar muito, a velocidade de rotação for demasiado elevada ou a carga for demasiado pesada, os anéis magnéticos interno e externo podem separar-se momentaneamente, interrompendo a agitação. A seleção cuidadosa de um sistema de acionamento magnético de elevado binário é necessária para fermentações de alta densidade ou alta viscosidade (por exemplo, contendo partículas sólidas).
Para a maioria das fermentações microbianas em biorreatores de vidro de 5 L em laboratório, a agitação mecânica combinada com uma simples selagem mecânica é a opção mais económica e prática. É simples, fiável e fácil de manter, além de ter sido validada por várias marcas. A atualização para vedantes mecânicos duplos ou agitadores com acoplamento magnético inferior só é considerada em situações que exijam elevada assepsia, microrganismos de alto risco ou processos especiais, para proporcionar segurança adicional.
V. Impulsores
O impulsor é um componente fundamental que afeta a uniformidade da mistura, o coeficiente de transferência de oxigénio (kLa), a força de cisalhamento e o consumo de energia. O material do impulsor é aço inoxidável 316L com superfície eletropolida. O princípio básico de seleção é o equilíbrio entre a elevada transferência de oxigénio (necessária para os microrganismos aeróbios) e o baixo cisalhamento (proteção da célula microbiana).
Os impulsionadores de turbina são a escolha mais comum para a fermentação microbiana. Geram principalmente fluxo radial, quebram bolhas e aumentam significativamente o valor de kLa, tornando-os adequados para fermentação de alta densidade com elevadas necessidades de oxigénio (como E. coli e leveduras). A sua forte dispersão de gás e elevada eficiência de transferência de oxigénio foram validadas por inúmeros estudos e marcas. Uma desvantagem é que as velocidades elevadas podem danificar fungos filamentosos ou estirpes sensíveis.
Os impulsionadores de pás angulares são instalados em ângulos de aproximadamente 45°, gerando fluxo radial e axial simultaneamente, resultando numa mistura mais uniforme. Têm uma força de cisalhamento menor do que os impulsores de turbina e também oferecem uma melhor transferência de oxigénio. São adequados para meios de cultura de viscosidade média ou microrganismos que sejam de certa forma sensíveis ao cisalhamento. Quando utilizados em combinação com um impulsor de turbina inferior, melhoram a circulação geral e reduzem as zonas mortas. A desvantagem é que a sua capacidade de dispersão de gás é ligeiramente inferior à de um impulsor de turbina puro.
Os impulsores de fluxo axial geram principalmente fluxo axial, resultando na menor força de cisalhamento, o que os torna adequados para o cultivo em meios de baixa viscosidade e baixo cisalhamento. Os impulsores de fluxo axial têm menor potência nominal e maior eficiência energética, sendo adequados para fungos filamentosos ou estirpes altamente sensíveis ao cisalhamento. O processo de agitação é relativamente suave, com menos espuma e menor consumo de energia. As desvantagens são a dispersão de gás e o valor kLa relativamente mais baixos, o que os torna inadequados para a fermentação de crescimento rápido com requisitos de oxigénio extremamente elevados.
A configuração mais comum e recomendada para um fermentador de vidro de 5L é uma combinação de impulsores de 2 a 3 camadas: um impulsor de turbina inferior para dispersão de gás, quebrando o gás de entrada em microbolhas; Uma hélice superior com pás inclinadas para a circulação axial, que impede a sedimentação das células e distribui uniformemente as bolhas dispersas da camada inferior por todo o tanque; e pode ser adicionada uma hélice antiespumante mecânica.