Agitação e aeração

Operações que visam transferir oxigênio para um meio líquido continuamente, de forma a garantir o seu suprimento para células que realizam uma fermentação aeróbia (o que corresponde à maioria dos casos).

Para todos os processos aeróbios é necessário o dimensionamento adequado do sistema de transferência de oxigênio, ou seja:

Oxigênio na fase gasosa

Oxigênio na fase líquida

Dissolução

• Fontes de carbono podem ser solubilizadas em concentrações da ordem de centenas de gramas por litro de solução e, os demais nutrientes, cerca de dezenas de gramas por litro

• O oxigênio só pode ser solubilizado em quantidades da ordem de 0,007 grama por litro, nas temperaturas típicas de realização dos processos fermentativos

Considerando a reação de oxidação da glicose:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Qual seria a massa de oxigênio necessária para a oxidação completa de 90 g desta fonte de carbono? mO2 = 96 g

Solubilidade do oxigênio em água em função da temperatura.

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

4

6

8

10

12

14

16

C (m

gO2 /

L)

Temperatura (oC)

30 oC => ≈ 7,4 mgO2/L

• Além do aspecto quantitativo, a cinética de consumo é de grande importância, sobretudo levando em conta as altas concentrações celulares que podem ser atingidas durante o processo.

• Neste caso, é de grande relevância o conhecimento da velocidade de respiração do microrganismo, o que implica maior ou menor velocidade de transferência de oxigênio para o meio, o que, por sua vez, reflete no dimensionamento do sistema de agitação e aeração do meio.

Todas essas considerações caracterizam a necessidade de

se entender as bases fundamentais da transferência de oxigênio em meios líquidos.

• Considerando o processos realizados em estado sólido (FES) a solubilização do oxigênio é igualmente necessária, embora apresente características distintas da solubilização em meio líquido.

• Neste caso, as operações de agitação e aeração, além do fornecimento de oxigênio para o microrganismo, assumem um papel destacado no tocante à homogeneização do meio e à dissipação do calor produzido em decorrência das reações metabólicas.

• Devido à grande limitação de água nos meios em que se realizam as FES, para a grande maioria destes processos empregam-se fungos filamentosos, os quais apresentam baixíssima exigência em atividade de água no meio, comparados às bactérias e leveduras. Desta forma, a grande maioria dos processos de FES são aerados.

Sistemas de transferência de oxigênio

Algumas considerações

• (1) e (2) – chamados reatores de aeração superficial; os demais, reatores de aeração em profundidade (borbulhamento de ar)

• (3) e (4) – aeração apenas por borbulhamento de ar; - adequados para o cultivo de células sensíveis ao

cisalhamento; - costumam ser construídos com altura bastante

superior ao diâmetro, para permitir maior tempo de residência do ar em contato com o líquido

• (5) e (6) – reatores agitados e aerados; - (5) ainda é o mais frequente na indústria (93% das

aplicações); - (6) é o que causa maior cisalhamento das células

Concentrações de oxigênio dissolvido em soluções saturadas

Algumas considerações

• Visando aumentar a concentração de saturação:- Trabalhar com temperaturas mais baixas (inviável)- Empregar pressões parciais mais elevadas (viável,

porém deve-se ter cautela, pois oxigênio pode ser tóxico para as células)

• Espécies químicas dissolvidas no líquido diminuem a concentração de saturação e o meio de fermentação apresenta muitas substâncias dissolvidas;

além disso, a composição do meio muda constantemente, em virtude do consumo de substrato e nutrientes e da liberação de produto e metabólitos

• Para o caso de soluções diluídas, pode-se aplicar a Lei de Henry (a concentração de oxigênio na saturação é proporcional à pressão parcial do oxigênio no gás)

CS = H . pg

Transferência de oxigênio e respiração

1. Resistência devido à película estagnada de gás2. Resistência devido à interface gás-líquido3. Resistência devido à película estagnada de líquido4. Resistência devido à difusão no líquido5. Resistência devido à película de líquido em torno

da célula6. Resistência da membrana celular7. Resistência devido à difusão no citoplasma8. Resistência relacionada à velocidade das reações

de consumo do oxigênio

• Com relação ao fornecimento, a resistência relevante é a associada à película estagnada de líquido em torno da bolha de ar

• Com relação ao consumo, a resistência mais significativa é a velocidade da reação de respiração

• Portanto, um sistema adequado de transferência de oxigênio é o que permite uma eficiente dissolução do oxigênio no meio líquido

Transferência de oxigênio para o meio líquido

A teoria de maior utilidade para o equacionamento da transferência de oxigênio é a que considera a existência de duas películas estagnadas

nO2 = kg.H(pg – pi) = kL.H(pi – p1) = kg(CS – Ci) = kL (Ci – C)

Considerando que a difusão do oxigênio depende do gradiente de pressão ou concentração associados às películas, define-se nO2 como o fluxo de oxigênio por unidade de área interfacial (gO2/m2.h), o qual é dado por:

Onde:kL é o coeficiente de transferência de massa da película líquida (m/h)kg é o coeficiente de transferência de massa da película gasosa (m/h)H é a constante de Henry (gO2/m3. atm)pi é a pressão parcial de O2 na interface (atm)pg é a pressão parcial de O2 no seio gasoso (atm)p1 é a pressão parcial de O2 em um gás em equilíbrio com a concentração de oxigênio C no líquido, segundo a lei de Henry (atm)Ci é a concentração de OD em equilíbrio com pi (gO2/m3)C é a concentração de oxigênio no seio do líquido (gO2/m3)

Simplificação: desconsiderar a resistência da película gasosa, o que significa fazer pi

= pg

Assim, Ci = CS e

nO2 = kL.H (pg – p1) = kL (CS – C)

nO2 = kg.H(pg – pi) = kL.H(pi – p1) = kg(CS – Ci) = kL (Ci – C)

Tendo em vista a dificuldade de quantificação da área interfacial de troca de oxigênio, define-se:

área interfacial de troca de massa (m2)

volume total de líquido (m3)a =

Podendo-se, então, escrever:

nO2 a = kLa .H (pg – p1) = kLa (CS – C)

onde:nO2a = velocidade de transferência de oxigênio (gO2/m3.h)

kLa = Coeficiente volumétrico de transferência de O2 (h-1)

Caso não se esteja em estado estacionário em termos de fluxo de O2, nO2a pode ser escrito como sendo a variação da concentração de oxigênio dissolvido (C) em função do tempo:

dC/dt = kLa (CS – C)

Esta equação permite a exata compreensão de todas as formas de que se dispõe para o controle da concentração de oxigênio dissolvido em um meio.

Avaliar: aumento da pressão parcial de O2 no gás de entrada aumento da pressão na cabeça do fermentador aumento da frequência de agitação

aumento da vazão de ar condição de transferência máxima

CS = H . pg C = H . p1 Ci = H . pi