BRPI0803630A2 - Biorreator de escoamento em vórtices de taylor para cultivo celular - Google Patents

Abstract

BIORREATOR DE ESCOA~NTO EM VÈRTICES DE TAYLOR PARA CULTIVO CELULAR é descrito um biorreator (100) de escoamento em vórtices de Taylor, o dito biorreator sendo constituído dedois corpos de forma essencíalmente cilíndrica, concêntricos, sendo o interno (2) rotante e o externo (1) estacionário. A partir da rotação do dito cilindro interno (2) acima de um determinado valor crítico, inicia-se a formação de vórtices toroidaís sobrepostos sobre o fluxo principal e que preenchem todo o espaço anular (d) entre os ditos dois cilindros. O escoamento em vórtices é determinado pela velocidade de rotação do corpo interno, pela razão entre os raios dos cilindros e pela viscosidade cínemática do meio. O corpo interno rotante (2) é dotado de parede externa e fixado a um eixo tubular (5) vazado para introdução de gases que deverão ser absorvidos pelo meio de cultura após difundirem através da parede de membrana tubular polimérica (6) enrolada ao redor do cilindro interno. O espaço anular (d) é ocupado em parte pela membrana tubular (6) e em parte pelo meio de cultura contendo as células em suspensão ou ancoradas a microcarregadores. O biorreator pode ser facilmente escalonado desde que seja aumentado o comprimento da membrana tubular e respeitadas as relações geométricas entre os raios dos ilindros interno r~int~ e externo r~ext~ e a razão de aspecto nos limites Razão entre os raios: N= R~int~/r~ext~, variando tipicamente de 0,1 a 0,99 e Razão de aspecto: r= L/d variando tipicamente de 0,5 a 100.

Description

BIORREATOR DE ESCOAMENTO EM VÓRTICES DE TAYLOR PARA CULTIVOCELULAR

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção pertence ao campo dos biorreatoresusados para o cultivo de células animais e vegetais, maisespecificamente, a um biorreator baseado em escoamento emvórtices de Taylor.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

O confinamento de um fluido entre dois cilindrosconcêntricos, com o interno (e talvez o cilindro externo)em rotação, é um tema clássico em dinâmica dos fluidos efoi descrito pela primeira vez por Taylor no trabalhoTaylor, G. I. "Stability of a viscous liquid betweenrotating cylinders". Philosophical Transactions of RoyalSociety A, v. 223, p. 289-343, 1923.

Em seus estudos, o pesquisador examinou o inicio daformação de um escoamento secundário no espaço anular entredois cilindros concêntricos em rotação - simultânea ouseparadamente. Taylor comprovou experimentalmente que emvelocidades de rotação do cilindro interno abaixo de umdeterminado valor, denominado de valor critico, o fluidosimplesmente movia-se tangencialmente no espaço anular.

Mas, no momento em que a velocidade de rotação excedia esselimite, o movimento, antes tangencial (escoamento principalde Couette), era sobreposto por uma trajetória helicoidalem várias camadas e com sentidos alternados de rotação.

Esse padrão de escoamento de fluxo foi denominado de"escoamento em vórtices". Outro resultado observado foi queapenas a rotação do cilindro externo, enquanto o internopermanece estacionário, não possibilita a formação dosvórtices.

Taylor, através de estudos teóricos, desconsiderou ostermos não-lineares das equações de Navier-Stokes eresolveu as equações para as perturbações do escoamentobásico (de Couette) usando séries de Bessel-Fourier. Destaforma, Taylor pode calcular as condições mínimas para oestabelecimento dos vórtices e ampliar a análise anteriorde estabilidade proposta por Rayleigh, em 1916, expandindo-a para escoamentos rotacionais e fluidos viscososincompressiveis. Outro resultado obtido por Taylor foi apossibilidade de determinar o tamanho dos vórtices e seusentido de rotação, uma vez que, essencialmente, aamplitude do escoamento secundário é igual ao dobro doespaço anular. Assim, cada par de vórtices girando emsentido alternado constitui uma unidade que se reproduz demaneira estável ao longo de todo o espaço anular, e cadavórtice individualmente está confinado em região de seçãoaproximadamente quadrada, com altura igual à largura doespaço anular.

A partir desses resultados, pesquisadores passaram adenominar de escoamento em vórtices de Taylor ou escoamentode Taylor-Couette, o escoamento secundário produzido quandoo cilindro interno gira enquanto o externo conservar-seestacionário. A referência dos pesquisadores a Couettedeve-se ao dispositivo estudado por Maurice Couette, em1890, que era composto por dois cilindros concêntricos,mas, nesse caso, o cilindro interno encontrava-se suspensoe o externo em rotação, segundo Donnelly, R. J. "Taylor-Couette Flow: The Early Days". American Institute ofPhysics. Physics Today. p. 3238, november 1991.

Ao longo dos anos, publicações sobre o escoamento emvórtices de Taylor se multiplicaram nas mais diversasáreas. Entre elas, trabalhos envolvendo a caracterizaçãodos regimes de escoamento, conforme Coles, D. "Transitionin circular Couette flow" Journal of Fluid Mechanics, v.21, η. 3, ρ. 385-425, 1965 e Davey, A. "The growth of Taylorvórtices in flow between rotating cylinders". Journal ofFluid Mechanics, v. 14, p. 336-368. 1962, e o estudo datransferência de massa e de calor, segundo os trabalhos:Kataoka, K. "Heat transfer in a Taylor vortex flow".Journal of Chemical Engineering Japan, 8, 472-476, 1975;Legrand, J. et al. "Overall mass transfer to the rotatinginner electrode of a concentric cylindrical reactor withaxial flow". Electrochimica Acta, 25, 669-673, 1980;Kataoka, K. et al. "Mass transfer in the annulus betweentwo coaxial rotating cylinders". Heat and Mass Transfer inRotating Machinery Ceds. Metzger, D. E. and Afagan, Ν. H.)143-153, Hemisphere, New York, 1984; Legrand, J. e Coeuret,F. "Transfert de Matière Liquide-Paroi et Hydrodynamique del'Écoulement de Couette-Taylor-Poiseuille Biphasique". Can.J. Chem. Engine. 65, 237-243, 1987; Moore, C.M.V."Characterization of a Taylor-Couette vortex flow reactor.239 p. Thesis (Doctor of Philosophy in ChemicalEngineering), Massachusetts Institute of Technology (MIT) ,United States of America. 1994; Desmet, G. et al. "Localand global dispersion effects in Couette-Taylor flow II:Quantitative measurements and discussion of reactorperformance". Chemical Engineering Science, v. 5, n. 8,p.1299-1309. 1996; Wronski, S. et al. "Mass transfer ingas-liquid Couette-Taylor flow in membrane reactor".Chemical Engineering Science, v. 54, p. 2963-2967. 1999;Giordano, R.C, et al. "Analysis of a Taylor-Poiseuillevortex flow reactor-I: Flow patterns and mass transfercharacteristics". Chemical Engineering Science, v. 53, n.20, p. 3635-3652, 1998; Resende, Μ. M et al. "Estimation ofmass transfer parameters in a Taylor-Couette-Poiseuilleheterogeneous reactor". Brazilian Journal of ChemicalEngineering, v. 21, n.. 02, p. 175-184, 2004.

Como mencionado anteriormente, publicações voltadas aaplicações do escoamento em vórtices de Taylor aumentaramconsideravelmente desde o estudo realizado por Taylor em1923, sendo que nas últimas duas décadas o emprego dessetipo de fluxo se estendeu aos biorreatores de bancada,conforme Giordano, R.L.C. et al. "Analysis of a Taylor-Poiseuille vortex flow reactor II: reactor modeling andperformance assessment using glucose-fructose isomerizationas test reaction. Chemical Engineering Science, v. 55, p.3611-3626. 2000; Dutta, Ρ. Κ; Ray, Α. Κ. "Experimentalinvestigation of Taylor vortex photocatalytic reactor forwater purification". Chemical Engineering Science, vol. 59,p. 5249 - 5259. 2004.

Na década de 1990, com base na concepção de cilindrosconcêntricos, foram desenvolvidos, pela Agência EspacialNorte-americana (NASA), biorreatores denominados de RWVB -rotating wall vessel bioreactor. Esses equipamentos sãoatualmente comercializados pela empresa Synthecon (Houston-EUA) e têm como objetivo obter "microgravidade" (ausênciade gravidade), ou seja, minimizar as tensões decisalhamento presentes no ambiente fluido-dinâmico dosbiorreatores durante o cultivo celular, principalmente decélulas animais e vegetais. Para isto ocorrer, essesequipamentos são operados no regime de escoamento deCouette, com eixo de rotação disposto horizontalmente.

Nesse caso, o cilindro externo é rotante, enquanto ointerno é estacionário ou gira na mesma velocidade derotação do externo. Outra característica dos RWVB é aoxigenação do meio de cultura, sendo esta efetuada pormembrana plana fixada no cilindro interno. Essesequipamentos não apresentam características geométricas enão operam com o intuito de formar o escoamento de Taylor-Couette. Trabalhos referentes a esse tipo de biorreatorforam publicados, sendo: Unsworth, B.R. e Lelkes, P.I"Growing tissues in microgravity". Nature Medicine. V. 4,η.8, ρ. 901-907. 1998; Cowger, Ν. L. et al."Characterization of bimodal cell death of insect cells ina rotating-wall vessel and shaker flash". Biotechnology andBioengineering, v. 64, η. 1, p. 14-26. 1999; Sun, X eLinden, J.C. "Shear stress effects on plant cell suspensioncultures in a rotating wall vessel bioreactor". Journal ofIndustrial Microbiology & Biotechnology, v. 22, p. 44-47.1999; Hamraondf T.G. e Hammond J.M. Optimized suspensionculture: the rotating-wall vessel". AJP - Renal, v. 281, p.12-25. 2001; 0'Connor, K.C et al. "Prolonged shearing ofinsect cells in a Couette bioreactor" Enzyme and MicrobialTechnology, v. 31, p. 600-608. 2002; Saini, S. e Wick , T.M. "Concentric cylinder bioreactor for production of tissueengineered cartilage: effect of seeding density andhydrodynamic loading on construct development".Biotechnology Progress, v. 19, p. 510-521, (2003); Klement,B.J. et al. "Skeletal tissue growth, differentiation andmineralization in the NASA Rotating Wall Vessel". Bone, v.34, p. 487-498. 2004; Liu, T et al. "Analysis on forces andmovement of cultivated particles in a rotating wall vesselbioreactor". Biochemical Engineering Journal, v. 18, p. 97-104 (2004); Martin, Y e Vermette, P. "Bioreactors fortissue mass culture: Design, characterization, and recentadvances". Biomaterials, v. 26, p. 7481-7503. 2005.

Outros biorreatores do tipo RWVB, mas operando noregime de escoamento em vórtices de Taylor, são avaliadosem Haut, B. et al. "Hydrodynamics and mass transfer in aCouette-Taylor bioreactor for the culture of animal cells".Chemical Engineering Science, v. 58, p. 777-784. 2003;Curran, S.J. e Black, R.A. "Quantitative experimental studyof shear stresses and mixing in progressive flow regimeswithin annular-flow bioreactors" Chemical EngineeringScience, v. 59, p. 5839-5868 .2004 e Curran, S.J. e Black,R.A. "Oxygen transport and cell viability in an annularflow bioreactor: comparison of laminar Couette and Taylor-Vortex flow regimes". Biotechnology and Bioengineering, v.89, n. 7, p. 766-774, March 30, 2005. Nesses trabalhos,embora sejam propostas inovações no que se refere àutilização do biorreator para o cultivo de células animaise vegetais, sérios obstáculos impedem seu escalonamento.Essas limitações envolvem a ausência de dispositivos parapromover transferências de massa e calor tão eficientesquanto as do biorreator da presente invenção. Nos RWVB, ofornecimento dos gases para o meio de cultura pode ocorrersuperficialmente na interface gás-liquido ou através deoxigenador localizado externamente. Esses sistemas deoxigenação ocasionam a restrição na capacidade volumétrica(100 mL) dos equipamentos, visto que essas técnicas não sãoadequadas para cultivos com elevada densidade celular (>106células.mL-1) . A limitação ao transporte de calor ocorredevido à ausência de trocador de calor na estrutura dosbiorreatores.

Todas essas restrições são superadas no biorreator dainvenção, denominado de "Biorreator de Escoamento emVórtices de Taylor" (BEVT), como será visto adiante nopresente relatório. 0 BEVT possui eficientes sistemas paraa transferência de massa e calor possibilitando seuescalonamento.A literatura de patentes apresenta vários documentossobre o assunto.

A patente JP 07-117088 refere-se a um procedimento decultivo células animais aderentes empregando e comparando odesempenho (principalmente no que se refere à viabilidadecelular) entre biorreatores do tipo tanque agitado e dotipo cilindros concêntricos. A patente em questão enfoca umprocedimento para o cultivo de células, não fornecendoqualquer detalhe construtivo ou de concepção inovadora deum biorreator de escoamento em vórtices de Taylor. Cabedestacar que a relevante vantagem do fluxo de Taylor-Couette são as baixas tensões de cisalhamento que ocaracterizam, e que provêem um ambiente mais favorável aocultivo celular. Assim, o objetivo da patente JP 2752918 éapenas comparar dois sistemas de agitação, sendo um deles ométodo convencional, composto por impelidor e presente embiorreator do tipo tanque agitado, e outro por escoamentoem vórtices de Taylor em biorreator de cilindrosconcêntricos.

Na publicação JP 2001-192215 é descrito o instrumentoe o método empregado para regeneração de uma proteína. 0equipamento em questão é composto por dois cilindrosconcêntricos sendo o interno rotante e o externoestacionário. 0 equipamento está disposto de forma a girarhorizontalmente. Entre o cilindro interno e externo há umtubo constituído por uma membrana permeável a passagem daproteína regenerada. É no espaço anular entre o cilindrointerno e a membrana que se forma o escoamento em vórticesde Taylor. A concepção do equipamento e sua aplicaçãobiotecnológica são diferentes do biorreator apresentado nopresente pedido.

A patente GB2097817 cita um biorreator de escoamentoem vórtices de Taylor utilizado para o cultivo de célulasanimais e vegetais. O biorreator é formado por uma câmaraconstituída por cilindro externo, fabricado em aço vazadono qual foi colocada uma membrana plana permeável. Nointerior da membrana são montados pares de tuboscilíndricos concêntricos. A oxigenação do meio de culturaocorre através dessa membrana. Com isso, tem-se umalimitação na relação área de troca de oxigênio por volumede reator. É, portanto, uma concepção distinta da presenteinvenção.

Na patente U.S. 3.647.632 é descrito um biorreator deperfusão para cultivo celular. 0 equipamento é composto poruma dorna de vidro e no seu interior encontra-se, próximo àbase, um filtro rotativo confeccionado em tela de aço inoxresponsável por reter células no seu interior. 0 biorreatorem questão tem uma concepção bastante distinta da presenteinvenção, não possibilitando a formação de vórtices deTaylor.

Assim como a patente anterior, a U.S. 5.057.428apresenta a descrição de biorreator com concepção diferenteda presente invenção. O documento em questão refere-se a umbiorreator tipo leito fixo para cultivo de células animaise vegetais. O equipamento é composto por dois cilindrosconcêntricos, sendo que o interno é composto por um feixede tubos distribuídos e fixados por um disco espaçador. Ascélulas ficam contidas em um recipiente cilíndrico,fabricado em material inoxidável vazado e dispostoparalelamente ao longo de todo o cilindro interno,possibilitando o contato com o meio de cultura e oxigênio.

O pedido publicado norte-americano U.S. 2006/0240544descreve um biorreator para o cultivo de microrganismos,células animais e vegetais. O equipamento é composto pordois cilindros concêntricos, sendo o interno rotante edividido em três compartimentos para separar meio decultura, células e solução de nutrientes. 0 biorreatordescrito nesse documento pode ser classificado comobiorreator de perfusão, diferenciando-se assim do objeto dapresente invenção, pois não adota a concepção de escoamentoem vórtices de Taylor.

A patente U.S. 5.155.035 apresenta um biorreator deperfusão baseado no ambiente de microgravidade para ocultivo de células de mamíferos e um método para efetuar oscultivos nesse tipo de sistema. No biorreator, o meio decultura gira ao redor do eixo horizontal e as partículassão mantidas suspensas no liquido a baixas tensões decisalhamento. 0 documento não objetiva o projeto econstrução de um biorreator de escoamento em vórtices deTaylor.

Seguindo a premissa de descrição de procedimento, apublicação WO 2005/007269 relata a metodologia e oinstrumento empregados para a produção de proteínas. Essapublicação utiliza um biorreator de perfusão para o cultivode células de mieloma e, combinado ao equipamento umsistema de filtração externo possibilita a separação daproteína expressada no meio de cultura. 0 invento descritono documento apresenta um conceito diferente de umbiorreator de escoamento em vórtices de Taylor.

Na patente U.S. 4.876.013 são descritos o método evários instrumentos a serem utilizados durante um processode filtração, preferencialmente através do uso de membranassemipermeáveis. Esse método e seus vários dispositivos sãoempregados em processos como ultrafiltração, osmosereversa, diálise, pervaporação e microfiltração utilizandoo regime de escoamento em vórtices de Taylor. 0 equipamentoé composto por dois cilindros concêntricos, sendo o internorotante através da utilização de um motor. A membrana planasemipermeável está localizada na parede do cilindro internoe o material a ser filtrado é transportado axialmenteatravés do espaço anular. 0 transporte de massa podeaumentar em uma ordem de grandeza o fluxo de filtração(i.e., a velocidade de escoamento do filtrado por unidadede área de filtro) com relação à filtração tangencialconvencional. Além disso, o escoamento em vórtices éempregado para ajudar a manter a superfície da membranadesobstruída durante processos contínuos de filtração. 0equipamento descrito no documento U.S. 4.87 6.013 éempregado no processo de filtração e não para o cultivocelular.

A patente U.S. 5.968.355 refere-se à construção de umequipamento baseado no conceito de escoamento em vórticesde Taylor e empregado no processamento asséptico demateriais farmacêuticos ou biológicos, incluindo colágeno,géis e semi-sólidos. 0 equipamento tem a função de filtrare concentrar esses materiais. 0 equipamento é composto pordois cilindros concêntricos, sendo que no espaço anularencontra-se uma membrana semipermeável responsável porseparar substâncias. Novamente, trata-se de um instrumentopara filtração e concentração asséptica de materialbiológico e não de um biorreator para o cultivo de célulasanimais e vegetais.

A patente U.S. 6.099.730 apresenta a descrição de umequipamento e a metodologia empregada no tratamento dosangue. O instrumento é composto por dois cilindrosconcêntricos, sendo o interno rotante e o externoestacionário. No espaço anular entre os cilindros é formadoo escoamento em vórtices de Taylor. Tanto nas paredesexterna do cilindro interno como na interna do cilindroexterno estão localizadas membranas semipermeáveisempregadas na remoção de substâncias do sangue consideradastóxicas. 0 equipamento utiliza os principio de separação ereação simultâneas dentro do mesmo com o objetivo deaumentar a eficiência do processo de desintoxicação oupurificação do sangue sem prejudicar as células neleexistentes. Como pode ser avaliado, o equipamento emquestão, mesmo aplicando o escoamento em vórtices deTaylor, não é utilizado para cultivo de células animais esim para tratamento clinico.

Conforme pode ser observado, há diversos artigos epatentes empregando o escoamento em vórtices de Taylor emprocessos biotecnológicos. No entanto, analisando asreferências presentes na literatura, não foi encontradobiorreator com as características descritas no presentepedido.

A necessidade por vacinas virais humanas em meados dadécada de 1950, especialmente contra a poliomielite,impulsionou os bioprocessos em larga escala de célulasanimais, pois foi o primeiro processo a ser realizadoindustrialmente, conforme Griffiths, J.B. "Animal cellproducts, overview" in: Spier, R.E. (Ed.) Encyclopedia ofcell technology, New York: John Willey & Sons, ν. 1, p. 71-76. 2000.

Nos últimos 20 anos, tem-se observado um rápidocrescimento no número e na demanda por produtosbiofarmacêuticos produzidos em processos envolvendo ocultivo de células animais. Atualmente, existem mais de 30produtos licenciados, sendo a grande parte proteínasrecombinantes. Esse aumento deve-se principalmente àeficácia comprovada na obtenção de compostos terapêuticosconforme Butler, M. "Animal cell cultures: recentachievements and perspectives in the production ofbiopharmaceuticals". Applied Microbiology andBiotechnology, v. 68, p. 283-291, 2005.

Com o crescente desenvolvimento de produtos derivadosde culturas celulares, a necessidade de desenvolvimento eotimização dos processos de produção torna-se evidente.

Os primeiros biorreatores utilizados para o cultivo decélulas animais derivavam de fermentadores desenvolvidospara a produção de microrganismos, com pouca ou nenhumamodificação na sua estrutura. Essa característica tornava-os inadequados para o cultivo devido às tensões decisalhamento geradas pelos sistemas de agitação e aeração eque acarretavam danos às células, conforme Cartwright, T."Animal Cells as Bloreactors". New York: CambridgeUniversity Press, 1994. 184 p.

Assim, com o intuito a atender essa demandatecnológica, é proposto aqui um biorreator baseado noconceito de escoamento em vórtices de Taylor para cultivocelular, com eficiente transferência de calor e massa ebaixas tensões de cisalhamento. 0 dito biorreator écomposto basicamente por dois cilindros concêntricos, sendoo interno rotante e o externo estacionário. A partir darotação do cilindro interno acima de um valor crítico,inicia-se a formação de vórtices toroidais sobrepostos aofluxo principal e que preenchem todo o espaço anular entreos dois cilindros. Esse biorreator é descrito ereivindicado no presente pedido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De um modo amplo, a invenção trata de um biorreator deescoamento em vórtices de Taylor (BEVT), dito biorreatorcompreendendo:

a) um corpo interno rotante de forma essencialmentecilíndrica dotado de parede externa e fixado a umeixo tubular vazado para passagem dos gases aserem absorvidos pelo meio de cultura;

b) de modo concêntrico ao dito corpo interno, umcorpo externo estacionário de formaessencialmente cilíndrica, dotado de paredeinterna separada da parede externa do corpointerno rotante, de modo a definir um espaçoanular a ser ocupado pelo meio de cultura quecontém as células em cultivo, a parte inferior dodito corpo externo sendo dotada de trocador decalor e de receptáculos tubulares laterais parapermitir a introdução dos eletrodos (pH eoxigênio dissolvido) e um duto pequeno paracoleta de amostras;c) uma membrana tubular polimérica, densa ealtamente permeável aos gases, tal como asfabricadas em silicone, a dita membrana estandoenrolada ao redor de todo o dito corpo interno,possibilitando eficiente transferência, pordifusão, dos gases contidos no interior damembrana para o meio de cultura;

d) tampa superior afixada a ditos corpos interno eexterno, a dita tampa sendo dotada de orifíciospara a introdução de soluções e para saída degases presentes no espaço superior interno dobiorreator;

e) tampa inferior;

f) selo mecânico e mancai fixados na parte superiorda dita tampa superior, sendo o mancai dotado deorifícios para entrada dos gases; e

g) dispositivo de agitação responsável por girar odito corpo interno através de acionamentomagnético e composto por um disco na base docilindro interno contendo ímãs permanentes,enquanto outro disco semelhante é localizadoexternamente em uma estrutura de metal, tambémcom ímãs permanentes, mas de polaridades opostas,exercendo uma força de atração, dito discoexterno sendo acionado pela ação de motorelétrico, de modo que quando a rotação do ditocorpo interno superar um valor critico, inicia-sea formação de vórtices toroidais sobrepostossobre o fluxo principal e que preenchem todo oespaço anular entre os dois ditos cilindrosinterno e externo, e onde

h) as relações geométricas entre os raios doscilindros interno e externo e a razão de aspecto,não estando limitadas a essas, são como segue:

Razão entre os raios:

<formula>formula see original document page 18</formula>

Razão de aspecto:

<formula>formula see original document page 18</formula>

Com razão entre os raios (η) variando tipicamente de0,1 a 0,99 e a razão de aspecto (Γ) variando tipicamente de0,5 a 100.

Ar, oxigênio, gás carbônico, nitrogênio ou misturaqualquer de gases são injetados no biorreator através dosorifícios existentes no mancai, percorrem todo o eixotubular vazado e se difundem do interior da membranatubular de silicone para o meio de cultura.A invenção provê um biorreator de escoamento emvórtices de Taylor que compreende, basicamente: cilindroexterno, cilindro interno, membrana tubular, trocador decalor e o conjunto formado por selo mecânico e mancai,localizado no topo da tampa superior.

A invenção provê também um biorreator com escoamentotipo vórtices de Taylor dotado de eficientes dispositivospara a transferência de calor e massa, apresentando baixastensões de cisalhamento.

A invenção provê também um biorreator com escoamentotipo vórtices de Taylor com ausência de rompimento debolhas na interface gás-liquido devido à utilização demembrana tubular polimérica densa e altamente permeável aosgases, como as fabricadas em silicone.

A invenção provê também um biorreator com escoamentotipo vórtices de Taylor de fácil escalonamento do sistemade aeração através do uso de membranas tubulares maisextensas.

A invenção provê, adicionalmente, um biorreator comescoamento tipo vórtices de Taylor onde o escalonamentodepende da manutenção das relações geométricas que permitema formação dos vórtices.

A invenção provê também um biorreator de escoamento emvórtices de Taylor favorável para os cultivos de célulasanimais, mas não limitado a essas, tanto em suspensão comoancoradas a microcarregadores.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A FIGURA 1 anexa é uma representação esquemática dobiorreator objeto da invenção.

A FIGURA 2 anexa é um desenho esquemático em cortefrontal do biorreator da invenção. A FIGURA 2A ilustra atampa superior do biorreator. A FIGURA 2B é o corte dopróprio biorreator.

A FIGURA 3 anexa é uma reprodução esquemática da tampasuperior do biorreator da invenção contendo orifícios,mancai e selo mecânico.

A FIGURA 4 anexa apresenta os resultados experimentaisdos valores do coeficiente volumétrico global detransferência de oxigênio (KLa), obtidos no BEVT, em funçãodo número de Reynolds rotacional e em diferentes vazões dear no interior da membrana tubular. As barras de errocorrespondem ao desvio padrão dos experimentos efetuados emtriplicatas.

0 ANEXO 1 é uma fotografia do biorreator objeto dapresente invenção. O biorreator é composto por dois corposcilíndricos concêntricos. O corpo cilíndrico ou cilindroexterno permanece estacionário enquanto o interno érotante. Abaixo do BEVT, encontra-se o acionador mecânicocom o sistema de controle da velocidade de rotação docilindro interno.

O ANEXO 2 é outra fotografia do BEVT.

O ANEXO 3 é uma fotografia da invenção com destaquepara o cilindro interno rotante, a tampa superior dobiorreator e a membrana tubular ao redor do dito cilindrointerno.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O escoamento em vórtices de Taylor é adequadoprincipalmente para os cultivos envolvendo célulassensiveis ao cisalhamento, como as células animais evegetais, pois a transição do escoamento de Couette para ofluxo de Taylor gera como efeito global a redução docisalhamento. Essa diminuição da tensão de cisalhamento(tangencial) deve-se à decomposição, pelo vórtice, datensão aplicada pelo cilindro interno nos três componentes:axial, radial e tangencial.

Essa condição proporciona um padrão de escoamento bemdefinido e com adequada mistura do meio de cultura,garantindo condições favoráveis de pH, oxigênio dissolvido,temperatura e nutrientes para as células. Fato diferente doobservado em outros sistemas empregados para o cultivocelular, como frasco do tipo Spinner, garrafas giratórias(também denominadas de roller bottles) e biorreatoresconvencionais, como do tipo tanque agitado.

Os modelos de escoamento em vórtices de Taylorbaseiam-se no número de Taylor (Ta) ou no número deReynolds rotacional (Ree) . Ambos os números sãoadimensionais e refletem o mesmo conteúdo de informaçãosobre a condição fluidodinâmica do sistema, que consiste narazão entre forças centrífugas e viscosas.

No decorrer das pesquisas da Requerente que conduziramaos resultados que compõem o presente pedido, foiselecionado o número de Reynolds rotacional (Reg), conformeEquação 1.

<formula>formula see original document page 22</formula>

sendo, ω a velocidade de rotação do cilindro interno; rínt oraio do cilindro interno; d o espaço anular entre os doiscilindros e ν a viscosidade cinemática do fluido emquestão. Com Reg de pelo menos 90.

Os bioprodutos a serem obtidos com auxílio do presentebiorreator são aqueles produzidos a partir do cultivo decélulas, como proteínas recombinantes, anticorposmonoclonais, vacinas virais e produtos obtidos de ácidosnucléicos, assim como também as próprias células, que é ocaso típico da expansão de células tronco.Um aspecto da invenção é um biorreator de escoamentoem vórtices de Taylor para o cultivo celular.

O dispositivo objeto da presente invenção, denominadode biorreator de escoamento em vórtices de Taylor (BEVT),resultou das pesquisas da requerente destinadas a suprir aatual carência de biorreatores apropriados para o cultivocelular. As principais características do BEVT são aseficientes transferências de calor e massa associada abaixas tensões de cisalhamento. Tais características têmcomo finalidades proporcionar elevada densidade celular econseqüentemente, aumento da produtividade do produtodesej ado.

O BEVT possui configuração não-convencional quandocomparado com outros biorreatores convencionais, como os dotipo tanque agitado e os com agitação pneumática ("airlift"e coluna de bolhas).

O BEVT é composto por dois corpos de formaessencialmente cilíndrica, concêntricos, sendo o internorotante e o externo estacionário. A partir da rotação docilindro interno acima de um determinado valor crítico,inicia-se a formação de vórtices toroidais sobrepostos aofluxo principal e que preenchem todo o espaço anular entreos dois cilindros. 0 escoamento em vórtices é determinadopela velocidade de rotação do corpo interno, pela razãoentre os raios dos cilindros e pela viscosidade cinemáticado meio.O corpo interno rotante é dotado de parede externa efixado a um eixo tubular vazado para fornecimento de gasesabsorvidos pelo meio de cultura. 0 corpo externoestacionário é dotado de parede interna separada da paredeexterna do corpo rotante, de modo a definir um espaçoanular a ser ocupado em parte pela membrana tubular e emparte pelo meio de cultura contendo as células.

Vantajosamente, a invenção utiliza uma membranatubular polimérica densa e altamente permeável aos gases,localizada ao redor de todo o corpo cilíndrico interno. Oobjetivo do emprego dessa membrana é o de fornecer, pordifusão para o meio de cultura, os gases necessários aocultivo celular e assim evitar a destruição celular devidoao rompimento de bolhas na interface gás-líquido dobiorreator.

O biorreator compreende adicionalmente um dispositivoque possibilita girar o dito corpo interno através deacionamento magnético, pois o dito corpo interno possuiímãs permanentes em sua base, enquanto outro discosemelhante, também com ímãs permanentes, com polaridadesopostas aos do dito corpo interno, localizado externamenteem uma estrutura de metal, é acionado pela ação de motorelétrico e que permite controlar a velocidade de rotação dodito corpo interno.A invenção será descrita a seguir por referência àsFiguras e anexos. No entanto, deve ficar claro para osespecialistas que, muitas modificações e variações sãopossíveis a partir das modalidades apresentadas dentro doescopo da invenção.

Na Figura 1, é apresentado o desenho esquemático dobiorreator da invenção, denominado de biorreator deescoamento em vórtices de Taylor (BEVT). O biorreator édesignado de modo geral pelo numerai (100).

Na modalidade apresentada, o BEVT foi projetado comvolume útil de 1,0 L sendo esse definido pelo espaço anular(d) entre os dois cilindros concêntricos (1) e (2) . 0cilindro externo (1) é constituído na parte superior poruma dorna fabricada em vidro boro-silicato e na parteinferior por trocador de calor (24) confeccionado emmaterial inoxidável, como aço inox 316L, não estandolimitado a esse. A função do trocador de calor (24) émanter a temperatura, dentro do biorreator (100), no valorselecionado para o cultivo que se pretende efetuar. Paraisto, água derivada de um banho termostático externo (nãorepresentado na Figura) é empregada para circular pelotrocador de calor (24). 0 trajeto do líquido pode servisualizado na Figura 1, sendo a entrada (10) e saída (11)do trocador de calor (24) através dos orifícios presentesno dito biorreator (100).Nos receptáculos tubulares fixados à parede verticaldo corpo inferior metálico (24) do biorreator sãointroduzidos os eletrodos de pH (12) e de oxigêniodissolvido (13). Um pequeno duto (14), também fixado nessaparede, serve para coleta de amostras. Os eletrodos ((12) e(13)) são acoplados a medidores/transmissores externos (nãorepresentados na Figura) comercialmente disponíveis.

0 cilindro interno (2) é fabricado em polímeroresistente à alta temperatura, como polipropileno, semestar limitado a esse, e fixado a um eixo tubular vazado(5) fabricado em material inoxidável, como o aço inox 316L,sem estar limitado a esse.

Ao redor de todo o cilindro interno (2), encontra-seenrolada uma membrana tubular polimérica densa (6) ealtamente permeável aos gases, como ar, gás carbônico,oxigênio, nitrogênio ou mistura de qualquer de gases. 0percurso dos gases (ar, gás carbônico, oxigênio, nitrogênioou mistura de qualquer de gases) no interior do BEVT (100)pode ser acompanhado na Figura 2.

Os gases introduzidos no biorreator (100) pelosorifícios (7) presentes no mancai (8), escoam pelo interiordo dito eixo tubular (5), saem na base (22) do cilindrointerno (2) e através de uma conexão (25) passam para adita membrana tubular (6). A transferência dos gases para ointerior do biorreator e, conseqüentemente, para o meio decultura se faz através do mecanismo de difusão através daparede da dita membrana tubular polimérica (6).

Esse sistema, além de proporcionar o provimento dosgases para o meio de cultura, evita o surgimento e,consequentemente, o rompimento de bolhas de ar na interfacegás-liquido.

Após circularem por toda a membrana tubular (6) partedos gases são liberados no espaço superior interno (26) dobiorreator (100). Nesse local, os gases são liberados parao meio externo através de filtros esterilizáveis (28) (videAnexo 1), instalados nos orifícios (21) existentes na tampasuperior (16) do mesmo.

Na Figura 2, é possível visualizar o sistema deagitação do biorreator (100). O cilindro interno (2) éimpulsionado pelo acionamento magnético do disco (23)localizado na sua base, fabricado em material inoxidável,como aço inox 316L, sem estar limitado a esse, e contendono seu interior ímãs permanentes (4).

Outro disco semelhante está localizado externamente naestrutura de metal (15) (vide Figura 1) também com ímãspermanentes, mas de polaridades opostas, exercendo umaforça de atração, e é acionado pela ação de motor elétrico(contido na estrutura de metal (15) e não representado naFigura), possibilitando o controle da velocidade de rotaçãodo cilindro interno (2).A Figura 3 ilustra o desenho esquemático da tampasuperior (16) do biorreator (100). A tampa é fabricada emmaterial inoxidável, como aço inox, sem estar limitada aesse, e possui aberturas (21) que são utilizadas para aadição de soluções, como base, ácido, inóculo e meio decultura, no interior do biorreator (100). Essas soluções,acondicionadas em recipientes (29) apropriados para essepropósito (vide Anexo 1), são inseridas no biorreator (100)com o auxilio de bomba peristáltica (30) (vide Anexo 1). Naparte superior da tampa (16) estão fixados o selo mecânico(9) e o mancai (8). Nesse último, aberturas permitem aentrada dos gases (7) (ar, gás carbônico, oxigênio,nitrogênio ou mistura de qualquer de gases) no interior dodito biorreator como mostrado na Figura 2.

Os anexos 1, 2 e 3 são fotografias do "Biorreator deEscoamento em Vórtices de Taylor" (BEVT) e detalhes domesmo.

Na Tabela 1 são mencionadas, como exemplo,características geométricas do BEVT, não estandonecessariamente limitadas a essas.

TABELA 1

<table>table see original document page 28</column></row><table>onde, rint corresponde ao raio do cilindro interno, rext é oraio do cilindro externo (1), L corresponde ao comprimentoaxial do cilindro interno (2) e d corresponde ao espaçoanular entre cilindro interno (2) e cilindro externo (1). Arazão entre os raios (η) pode variar de 0,1 a 0,99 e arazão de aspecto (Γ) , por exemplo, de 0,5 a 100, comvalores típicos entre 0,3 e 0,90 para a razão entre osraios (η) e entre 10 e 60 para a razão de aspecto (Γ).

Após a conclusão das etapas de projeto e construção dobiorreator foram avaliadas as transferências de calor eoxigênio dentro do mesmo.

No decorrer de 10 dias (240h) o biorreator permaneceuligado e no seu interior foi adicionado meio de culturaDMEM (Dulbeco's Modified EaglefS Médium) estéril. Duranteos experimentos, as velocidades selecionadas de rotação docilindro interno, 50, 100 e 200 rpm, mantiveram-seconstantes. Pôde-se observar com os resultados que atemperatura selecionada (37°C) manteve-se constante e queatravés de coletas diárias de amostras, o meio de culturapermaneceu estéril.

0 biorreator (100) apresenta adequada capacidade detransferência de oxigênio para o meio reacional. Essacaracterística é conseqüência da formação do escoamento emvórtices de Taylor e da utilização da membrana tubular (6),ao redor de todo o cilindro interno (2).A determinação do coeficiente volumétrico global detransferência de oxigênio (KLa) no BEVT baseou-se no métododinâmico, que utiliza o sinal de resposta do eletrodo deoxigênio imerso no liquido submetido à aeração, conformeBlanch, H. W.; Clark, D. S. "Biochemical Engineering" NewYork: M. Dekker Inc., 1997. Cap.5, p. 343-452.

No BEVT, a determinação de KLa consistiu emexperimentos realizados na ausência de células e emdiferentes condições de agitação (velocidade de rotação docilindro interno) e aeração (vazão de ar que escoava nointerior da membrana tubular de silicone).

Em um exemplo tipico, o biorreator (100) foi operadocom 800 mL de meio de cultura DMEM e temperatura de 37 °C.

As condições operacionais foram: velocidades de rotações docilindro interno variando entre 25 e 300 rpm e vazões de arno interior da membrana tubular variando entre 80 e 550mL.min"1.

Ao analisar os dados apresentados pelo gráfico daFigura 4, pode-se verificar que o regime de escoamento emvórtices de Taylor aumenta o transporte de oxigênio quandocomparado com outros biorreatores que também empregam essetipo de membrana.

Como exemplo de comparação, experimentos realizadoscom biorreator do tipo tanque agitado, operado à 80 rpm ecom membrana tubular de 50m, (diâmetro externo de 3,2 mm ea espessura da parede de 0,6 mm), resultaram em valores deKLa entre 2 e 3 h"1 , conforme publicado em Tonso, A."Monitoramento e operação de cultivos de células animais emsistemas de perfusão" Tese (Doutorado em EngenhariaQuímica) -Departamento de Engenharia Química, EscolaPolitécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. 2000.Valores semelhantes de KLa foram apresentados em Qi, H.N.et al. "Experimental and theoretical analysis of tubularmembrane aeration for mammalian cell bioreactors".Biotechnology Progress, v. 19, p. 1183-1189. 2003. Nessetrabalho a extensão da membrana tubular foi de 80 m e aespessura da parede da membrana tubular de 0,55 mm.

No experimento realizado no BEVT, operado em condiçõessemelhantes aos biorreatores do tipo de tanque agitado, ovalor de Kia foi de 5,5 h"1. A vantagem da invenção foipossibilitar a redução no comprimento da membrana tubularpara apenas 7,5 m, .

Um outro aspecto da invenção é o seu funcionamento.Basicamente, o funcionamento do biorreator da invençãoenvolve fechá-lo e a seguir introduzir as células (inóculo)através da entrada apropriada, além de soluções de base eácido para controle do pH, e ainda os gases que sãodifundidos para o meio de cultura com auxílio de membranatubular, que provê transferência de oxigênio aperfeiçoadadentro do biorreator.O bioprocesso inicia acionando o biorreator através derotação do cilindro interno, de modo que quando estarotação supera um valor critico inicia-se a formação devórtices toroidais sobrepostos ao fluxo principal e quepreenchem todo o espaço anular entre os dois cilindros,favorecendo o cultivo de células a baixas taxas decisalhamento. Após a cessação da rotação do motor o cultivodas células é recuperado.

Primeiramente, o biorreator (100) dever sercorretamente fechado (ou vedado) antes de ser autoclavado.Esse procedimento de fechamento é como se segue: o cilindroexterno de vidro (1) é composto, em suas extremidades, porflanges (27). As tampas, superior (16) e inferior (17),apresentam sulcos nas faces internas onde são acomodadosanéis de vedação (não representados na Figura)autoclaváveis de viton ou material similar, sem estarlimitado a este. Para o fechamento das tampas (16) e (17),os anéis de vedação são encostados nas flanges (27) equatro parafusos recartilhados e rosqueados (18) sãoempregados para unir as ditas tampas (16) e (17) aos anéisde fixação (19) e (20), fabricados de material inoxidável,como alumínio e aço inoxidável prensando assim as flanges (27).

Após as etapas anteriores, meio de cultura, células(inóculo), base, ácido são introduzidos pelos orifícios(21) no biorreator (100) através de bomba peristáltica(30). O fornecimento dos gases é através dos orifícios (7)localizados na parte superior do mancai (8) . Os gasesescoam via o eixo tubular vazado (5), saem na base (22) docilindro interno (2) e, através de uma conexão (25), passampara a membrana tubular (6). A membrana tubular (6)possibilita o provimento de gases para o meio de culturapor difusão sem o aparecimento de bolhas de ar. Os gases,após circularem por toda a membrana tubular (6), sãoliberados na parte superior (26) do biorreator. Nesselocal, os gases são liberados para o meio externo atravésde filtros esterilizáveis (28) presentes nos orifícios (21)da tampa superior (16). A temperatura do interior dobiorreator é mantida na faixa adequada com auxílio de umtrocador de calor (24).

Para colocar em andamento o bioprocesso, é acionado osistema de agitação do biorreator (100). Esse mecanismo égerado pela rotação do cilindro interno (2) , impulsionadopelo acionamento magnético do disco (23) contendo no seuinterior quatro ímãs permanentes (4) enquanto outro discosemelhante, também contendo ímãs permanentes, porém compolaridades opostas, e localizado externamente na estruturade metal (15), é acionado por motor elétrico. A partir darotação do cilindro interno (2) acima de um valor crítico,inicia-se a formação de vórtices toroidais sobrepostossobre o fluxo principal e que preenchem todo o espaçoanular (d) entre os dois cilindros. O escoamento emvórtices é determinado pela velocidade de rotação docilindro interno (2), pela razão entre os raios doscilindros e pela viscosidade cinemática do meio. Durante osexperimentos, amostras são coletadas através da abertura(14) existente na parte inferior do cilindro externo (1).Após o término da reação, há interrupção na rotação domotor, o biorreator é aberto assepticamente e os produtossão coletados e devidamente armazenados.

0 biorreator (100) além de apresentar uma concepçãoinovadora baseada no conceito do escoamento em vórtices deTaylor, tem as vantagens de baixo custo, fácil construção eescalonamento, e mecanismos eficientes de transferência decalor (devido ao trocador de calor situado na parteinferior do equipamento) e de massa.

O biorreator da invenção ainda conta com apossibilidade de instalação de periféricos para monitorar econtrolar os parâmetros do cultivo celular.

O presente biorreator emprega o escoamento em vórticesde Taylor para o cultivo tanto de células em suspensão,quanto as dependentes de ancoramento em microcarregadores.

A inovação do biorreator consiste no desenvolvimentode um dispositivo que permite o escalonamento do sistema deoxigenação, aumentando consideravelmente a transferência deoxigênio dentro do equipamento, quando comparado com outrosbiorreatores de escoamento em vórtices de Taylor que nãoempregam essa concepção. Nesse dispositivo, uma membranatubular é instalada ao redor de todo o cilindro interno.Desta forma, a geometria da área de contato membrana-meiode cultivo é mais favorável, permitindo aumentar a razãoárea de transferência por volume de reator apenasaumentando a extensão da membrana tubular. A eficiênciadessa concepção foi extensamente comprovada porexperimentos apresentados na Figura 4 que compõe o presenterelatório.

Outra vantagem da invenção em relação ao estado datécnica são as baixas tensões de cisalhamento geradas noambiente fluido-dinâmico e a ausência de rompimento debolhas na interface gás-liquido devido à presença damembrana tubular.

Além disso, tem-se a facilidade do escalonamento dobiorreator, desde que mantidas as relações geométricas quepossibilitam a formação do escoamento em vórtices.

Claims (8)

1. Biorreator de escoamento em vórtices de Taylor paracultivo celular, caracterizado pelo fato de que compreende:a) um corpo interno rotante (2) de formaessencialmente cilíndrica dotado de paredeexterna e fixado a um eixo tubular vazado (5)para escoamento dos gases a serem absorvidos pelomeio de cultura;b) de modo concêntrico ao dito corpo interno (2), umcorpo externo estacionário (1) de formaessencialmente cilíndrica, dotado de paredeinterna separada da parede externa do corpointerno rotante (2), de modo a definir um espaçoanular (d) a ser ocupado pelo meio de cultura quecontém as células em cultivo, a parte inferior dodito corpo externo, apoiado sobre uma basecilíndrica, fabricada em material inoxidável, queexerce a função de trocador (24) de calor parapossibilitar a modulação da temperatura do meiode cultura;c) a parte inferior do dito corpo externo sendodotada de receptáculos tubulares laterais parapermitir a introdução de eletrodos de pH (12) eoxigênio dissolvido (13) e um pequeno duto (14)para coleta de amostras;uma membrana tubular polimérica densa (6)altamente permeável aos gases, a dita membrana(6) estando enrolada ao redor de todo o ditocorpo interno (2), possibilitando eficientetransferência por difusão dos gases contidos nointerior da membrana para o meio de cultura;tampa superior (16) afixada aos ditos corposinterno (2) e externo (1), a dita tampa sendodotada de orifícios (21) para a introdução desoluções e para saída de gases presentes noespaço superior interno (26) do biorreator;tampa inferior (17);selo mecânico (9) e mancai (8) fixados na partesuperior da dita tampa superior (16), sendo omancai (8) dotado de orifícios (7) para entradade gases; edispositivo de agitação responsável por girar odito corpo interno (2) através de acionamentomagnético e composto por um disco (23) na base docilindro interno (2) contendo ímãs permanentes(4), enquanto outro disco semelhante é localizadoexternamente em uma estrutura de metal (15),também com ímãs permanentes, mas de polaridadesopostas, exercendo uma força de atração, ditodisco externo sendo acionado pela ação de motorelétrico, de modo que quando a rotação do ditocorpo interno (2) supera um valor critico inicia-se a formação de vórtices toroidais sobrepostosao fluxo principal e que preenchem todo o espaçoanular (d) entre os dois ditos corpos interno (2)e externo (1), e onde as relações geométricasentre os raios dos cilindros interno Tint eexterno rext e a razão de aspecto L, são:Razão entre os raios: <formula>formula see original document page 38</formula> variando tipicamente de 0,1 a 0,99 eRazão de aspecto: <formula>formula see original document page 38</formula> variando tipicamente de 0,5 a 100

2. Biorreator de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o cultivo celular objetiva aobtenção de bioprodutos, selecionados dentre o grupo deproteínas recombinantes, anticorpos monoclonais, vacinasvirais e produtos obtidos de ácidos nucléicos, assim comotambém as próprias células, como é o caso típico naexpansão de células tronco.

3. Biorreator de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que as células estão emsuspensão.

4. Biorreator de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que as células estão ancoradas amicrocarregadores.

5. Biorreator de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a razão entre os raios estáentre 0,3 e 0,90 e a razão de aspecto entre 10 e 60.

6. Biorreator de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o escalonamento do sistemade aeração do mesmo compreende a alteração da extensão damembrana tubular (6), enquanto são obedecidas as relaçõesgeométricas entre os raios dos cilindros interno rint eexterno rext e a razão de aspecto L .

7. Biorreator de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o número de Reynoldsrotacional (Ree) é de pelo menos 90.

8. Biorreator de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que, em funcionamento, operaconforme as seguintes etapas:vedar o dito biorreator para permitir operação nomodo asséptico, unindo as tampas (16) e (17) aosanéis (19) e (20) e prensando as flanges (27);introduzir, mediante a utilização de bombaperistáltica (30), através dos orifícios (21)meio de cultura, células (inóculo) e soluções debase e ácido;introduzir gases através de orifícios (7)localizados na parte superior do mancai (8) emdireção ao eixo tubular vazado (5), até saída dosmesmos na base (22) do cilindro interno (2) epassagem dos mesmos para a membrana tubular (6)através da conexão (25), transferência dos gasespara o meio de cultura por difusão, circulandopelo interior da dita membrana tubular (6), sendoliberados na parte superior (26) do biorreator edeixando o mesmo através de filtrosesterilizáveis (28) presentes nos orifícios (21)da tampa superior (16);manter a temperatura do interior do biorreator nafaixa adequada com auxílio de trocador de calor(24) ;acionar o sistema de agitação gerado pela rotaçãodo cilindro interno (2), impulsionado peloacionamento magnético de dois discos (23) depolaridades opostas contendo ímãs permanentes(4), de modo que, a partir da rotação do ditocilindro interno (2) acima de um valor crítico éiniciada a formação de vórtices toroidaissobrepostos ao fluxo principal e que preenchemtodo o espaço anular (d) entre os cilindrosinterno (2) e externo (1);manter, através da rotação do cilindro interno(2), baixas tensões de cisalhamento e boahomogeneização do meio de cultura, possibilitandoque nutrientes, oxigênio dissolvido e temperaturasejam igualmente distribuídos às células, parapossibilitar a evolução do bioprocesso com altaeficiência e alta produtividade;coletar amostras durante os experimentos atravésda abertura (14) situada na parte inferior docilindro externo (1);interromper a rotação do motor, localizado nointerior da estrutura de metal (15), após otérmino da reação e abrir o biorreatorassepticamente; ecoletar e armazenar os produtos do bioprocesso.