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Componentes BásicosSistema de agitação;Sistema de distribuição de O2;Sistema de controle de espuma;Sistema de controle detemperatura;Sistema de controle de pH;Portas de amostragem;Sistema de limpeza eesterilização;Linhas para esvaziar o biorreator.
Sistema de Agitação
• Consiste do agitador e das chicanas(usadas para aumentar a turbulência e a eficiência de mistura).
• Prover boa mistura e aumentar a transferência de massa;
• Prover condições apropriadas para a quebra das bolhas;
SITEMAS DE AGITAÇÃO
• i) transferência de massa da bolha para a interface gás-líquido;
• ii) transporte através da interface gás-líquido;
• iii) difusão do filme de líquido que rodeia a bolha;
• iv) transporte através da massa de líquido;
• v) difusão através do filme de líquido estagnado que rodeia as células;
• vi) movimento através da interface líquido-célula;
• vii) difusão através do sólido até a célula individual, caso as células estejam associadas em flocos, agregadas ou imobilizadas;
• viii) transporte através do citoplasma para o local de reação.
SITEMAS DE AGITAÇÃO
• Fluxo de oxigênio = mol de O2/(cm2s)• = kG (cG,c – cGi,c) (5)• = kL (cL,c – cLi,c) (6)• Onde KG e KLsão as coeficientes de transferência no gás e no
líquido. cG,c – cGi,c são as concentrações dos componentes c na bolha de gás e líquido e cL,c – cLi,c são as concentrações na interface.
• Como as concentrações interfaciais não são usualmente acessíveis, consideramos um coeficiente global de transferência de massa KL e a concentração total (cL* - cL),
• onde cL* é a concentração do líquido em equilíbrio com a fase gás (M cL* = cG).
• Portanto, o Fluxo de oxigênio = KL(cL* - cL) (7)
SITEMAS DE AGITAÇÃO
)()(int **
2 llllllO ccaKV
AccK
reatornolíquidodevolume
erfacialáreafluxoQ
Taxa de transferência de oxigênio por unidade de volume é dada por:
Fatores que influenciam na demanda de oxigênio:Espécie do microorganismo ou célula;Fase do crescimento;Fonte de carbono;Natureza do processo.
SITEMAS DE AGITAÇÃO
A transferência de massa depende:da solubilidade do soluto no líquido;mistura ( mistura, investimento e gasto de energia, danos
as células, enzimas ou produtos);área interfacial entre as 2 fases ( área, taxa de
transferência de massa). Para aumentar a área interfacial: (1)adicionar mais material ao reator; (2) diminuir o tamanho da bolha;viscosidade do líquido ( viscosidade, transferência de
massa).
SISTEMAS DE AGITAÇÃOkLa = (Coeficiente volumétrico de transferência de massa)
kLa diminui com o aumento do volume do
líquido
kLa aumenta com a área sup
kLa é maior quando as pequenas chicanas
estão presentes
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Métodos para determinação do kLa
• Reações químicas (MÉTODO SULFITO)
• Nesses métodos o gás reage com o composto adicionado a fase líquida e este consumo é monitorado e relacionado com coeficiente desejado.
• O reagente deve ser suficiente para que todo o oxigênio seja consumido.
MÉTODOS PARADETERMINALAÇÃO DO KLa
• MÉTODO SULFITO
• Na2SO3 + ½ O2 Na2SO4
(Cu2+ ou Co2+)
)( *lll
l CCakdt
dC
esteq
l
l
l
l ft
SO
Cakou
t
C
Cak
2
3
**
11
festeq = 16/126CL*, cteCL, concentração de oxigênio dissolvidot, tempoC, concentração de oxigênio consumido SO3
-2, concentração de sulfito consumido (método titulométrico)
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• MÉTODO SULFITO
Limitações do método:1.A reação tem que ser rápida o suficiente para
reduzir a concentração no líquido até zero, mas não tão rápida que não seja possível medi-la;
2.A reação é função do pH, T e concentração de catalisador (tentar encontrar uma região onde o coeficiente seja independente do Cu2+ ou Co2+);
3. Influência da qualidade da água;
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• MÉTODO DINÂMICOPrimeiramente tem-se um biorreatoraerado em estado estacionário. Em dado instante corta-se a entrada de ar do sistema e monitora-se a queda da concentração de oxigênio no meio de cultura. Após um tempo de 20 a 60 segundos, abre-se novamente a entrada de ar do sistema.Durante este período de tempo considera-se que não há formação de biomassa no biorreator, desta forma a variação da concentração de oxigênio édescrita pela equação:
dC
dtk a C C q XL O *
2(10)
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• MÉTODO DINÂMICO
(13)
dC
dtk a C C q XL O *
2
Rearranjando os termos da eq.(10) obtem-se:
(11)
ak
Xq
L
O2Para um sistema particular C* pode ser considerado constante e agrupados
Cq X
k aCO
Li
*
2 (12)
onde Ci é a concentração de oxigênio dissolvido original do sistema em estado estacionário.
Substituindo a Equação (12) na Equação (11), obtem-se:
dC
dtk a C CL i
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• MÉTODO DINÂMICO
• integrando a Equação (12), o kLapode ser isolado e calculado:
k a
C C
C C
t tL
i
i
ln 0
0
onde Ci, C0 e C são diferentes valores de concentração de oxigênio dissolvido mostrados na figura.
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• CORRELAÇÕES MATEMÁTICAS• Um a determinada correlação se ajusta para um determinado
reator e em certos regimes de operação. A maioria das correlações pode ser escrita da forma:
k, , , constantes;us, velocidade superficial do gás [m/s];Pg, potência em sistema aerado;V, volume do líquido
V
Pukak
gsL
(15)
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Outras correlações ...Variáveis que afetam o kLaVelocidade do arTipos e sistemas de agitaçãob.1) tipo de palheta empregadab.2) número de jogos de palhetasPropriedades físicas do mostoVelocidade do agitadorTemperaturaQuantidade de sólidosTaxa de aeraçãoVolume de meioAdição de chicanasPotência de aeração (depende a velocidade superficial do gás)
(18)
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
Agitação
não-mecânica natural (trabalho exercido por gás da fermentação)forçada (introdução de gás pela base do reator)
mecânica Aeradonão-aerado
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
Potência de agitação em processos não aerados (P)Re, Fr, NpEq. de Rushton para Np (c/ e s/vórtice; Escoamento laminar e turbulento)
Potência de agitação em processos aerados (Pg)a) Aplicar fatores de correção à potência encontrada para processos não aerados
a.1) Relação Gráficaa.2) Relação Analítica
b) Utilizar correlações empíricas entre potência e aeraçãoEq. de Cooper et al.Eq. de Bartolomeu et al.Eq. de Moritz & MeirelesEq. de Fukuda et al.
SITEMAS DE AGITAÇÃOIMPELIDORES
O nº de impelidores depende da altura de líquido no reator.
Classificação:Fluxo radial: o líquido éinicialmente dirigido a parede do reator, ie, ao longo do raio do tanque. Não é tão eficiente quanto o axial. Maior quantidade de energia é necessária para geral o mesmo fluxo que o axial;
Algumas marcas comerciais: tipo Arrowhead, de pás curvas,de pás retas verticais, Impelidor Rushton,Impelidor Smith.
SITEMAS DE AGITAÇÃOIMPELIDORES
Característica das lâminas: são responsáveis por gerar regiões de turbulência para quebra das bolhas. Esta alta turbulência pode danificar materiais como cristais e precipitados e também células, como fungos filamentosos e células animais.
SITEMAS DE AGITAÇÃOIMPELIDORES
Fluxo axial: o líquido é dirigido para a base do reator, paralelo ao eixo do agitador. São deficientes em gerar turbulência e quebra das bolhas de ar, o que os tornam indesejáveis para cultivos aerados
São utilizados para processos sensíveis como em reatores de cristalização e precipitação. São também utilizados vastamente em culturas de células animais.Algumas marcas comerciais: Impelidor Lightnin 320, Impelidor KPC – KROMA, Impelidor Pitched
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
ChicanasPrevinem a formação de vortex e um pouco de mistura axial mesmo com impelidores de fluxo radial.
Sem chicanas
Com chicanas
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Sistema de distribuição de gás• Compressor, sistema de esterilização
de ar, distribuidor de ar, sistema de saída de ar.
• Esterilização do ar de entrada e de saída: prevenir a contaminação.
• Método: em reatores de até 10.000 L utiliza-se filtração.
• Membranas acomodadas em pregas, criando um filtro compacto e grande área superficial.
• Para reatores maiores que 10.000 L a opção pela membrana torna-se muito cara. Atualmente, utiliza-se vapor para a esterilização.
Até 5 Litros
Até 1000 Litros
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Sistema de distribuição de gás
• Em reatores pequenos existe um condensador na saída dos gases, onde são condensados material volátil e vapor d’água.
• Isto minimiza a perda de água e voláteis por evaporação.
• Também previne contra o entupimento do filtro
SISTEMAS DE AGITAÇÃO• Sistema de distribuição de gás
Quando a velocidade de agitação é pequena, as bolhas não serão quebradas tendendo a subir direto para a superfície. Além disso, irão se acumular no eixo do agitador, coalescendo e diminuindo a transferência de oxigênio.Quando a velocidade de agitação é grande, as bolhas pequenas irão circular por todo o reator e terão o seu tempo de residência aumentado.
rápidalenta
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Taxa de vazão de ar
• É comumente reportada em termos de volume de ar por volume de meio por minuto ou vvm.
líquidodovolume
ardeavolumétricvazãovvm
)(
min)/(
LV
LFvvm
liq
ar
SISTEMAS DE AGITAÇÃO• Métodos de aeração• Culturas paradas• Pouca ou nenhuma energia é utilizada para aeração (depende da
transferência de O2 pela superfície). • Usado em testes de laboratório onde o suprimento de oxigênio não é
crítico. • Frascos são usualmente utilizados para pequenas culturas de células
animais.• Culturas em superfície: produção de ácido cítrico, cultivos semi-sólido.• .
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Métodos de aeração• Cultivos Agitados• Utilizados em cultivos de pequena escala;• Quando comparado ao cultivo parado, altas taxas de
transferência de oxigênio podem ser encontradas;• Mesmo assim, limitações na transferência serão
inevitáveis quando se tenta alcançar altos níveis de densidade celular..
SISTEMAS DE AGITAÇÃO• Métodos de aeração• TANQUES AGITADOS• Em reatores não aerados o oxigênio é transferido do espaço livre
acima do líquido; • A agitação quebra continuamente a superfície do líquido e aumenta a
área de transferência;• O efeito da velocidade de agitação na entrada do gás em um
biorreator de 2 L é mostrado abaixo:
SISTEMAS DE AGITAÇÃO• 1. LEITO FLUIDIZADO• Borbulhamento sem agitação mecânica também pode ser
utilizado para aeração e agitação. • Dois tipos destes biorreatores são: coluna de bolhas e
fermentadores airlift.
Biorreatores de borbulhamento: são utilizados mais comumente para culturas sensíveis as pás dos impelidores como fungos e células vegetais. H/D colunas (8:1 – 20:1)Altura da coluna:Aumenta o hold up do gás;Aumenta o tempo de residência da bolha;Região de alta pressão hidrostática perto da entrada de ar, na base do reator.
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• LEITO FLUIDIZADO
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
Parâmetro mais importante para performance do reator: Tamanho da bolha. Determina a velocidade de subida, tempo de residência do gás e governa o hold up do gás (proporção de líquido aeradoque é ocupado pelo gás; volume de bolhas em relação ao volume de líquido), a área interfacial e taxa de transferência de massa G/L.
• AIR-LIFT
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
Diferem do número 1)9, pela presença de um tubo central concentrico (2) ou lateral, ou ainda com circulação externa (3)As principais funções deste tubo são:Aumentar a mistura axial no reator;Reduzir a coalescência das bolhas que circulam numa mesma direção (igual a do líquido);Equalizar as forças de cisalhamento (édistribuída uniformemente pelo reator).
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SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Riser: região onde as bolhas de gás são liberadas Pode ser dentro ou fora do tubo central. A ascensão das bolhas causa o fluxo de líquido na direção vertical;
• Para contrabalançar, o líquido flui em direção descendente no downcomer. Isto permite a circulação do líquido e aumenta a eficiência de mistura quando comparado a coluna de bolhas.
• A circulação das bolhas em uma direção uniforme e a velocidade relativa uniforme, reduz a coalescência e resulta em maiores valores de kLaquando comparado a coluna de bolhas.
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Zona de Alívio: • adiciona volume ao reator;• reduz a espuma;• minimiza a circulação de bolhas pelo downcomer devido ao súbito
alargamento do topo do reator que diminui a velocidade da bolha e a libera do fluxo do líquido. Assim previne-se a entrada de bolhas ricas em CO2 no downcomer;
• redução da perda de meio devido a formação de aerossol (solução coloidal em que a fase dispersora é gasosa e a fase dispersa ésólida ou líquida)
• Os reatores airlift são utilizados com fluidos menos viscosos e quando há necessidade de agitação mais suave e transferência de oxigênio a baixo custo.
• Os reatores agitados convencionais possuem eficiência de mistura deficiente qdo comparados ao airlift.
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Biorreator airlift híbrido• pode possuir 1 ou mais
impelidores axiais localizados no tubo central;
• Alcançam alto padrão de fluxo direcional do que é possível com reatores airliftconvencionais;
• Assim, tem maior capacidade de suspender sólidos e reduzir gradientes axiais de concentração que ocorrem em reatores airlift altos e afetam negativamente a performance.
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Poucos estudos têm sido feitos comparando as performances de biorreatores híbridos e airlifts convencionais e tanques agitados;
• Chisti e Jauregui-Haza (2002) apresentam estudos para a transferência de oxigênio e mistura em tais reatores.
• Principais conclusões:• Uso de impelidor de fluxo axial no downcomer:• circulação de líquido, mistura, transferência G/L quando
comparado a operação sem o agitador, consumo de energia;• concentração de fibras (~conc. De micélio), kLa;• A aeração superficial contribui (pouco) para a transferência total
G/L;• O aumento ou não da performance de mistura depende da
intensidade da agitação mecânica. A altas taxas de aeração (ug0,04ms-1) a utilização ou não de agitador não muda as características de mistura.
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
• Sistema de controle da formação de espuma
• Formação excessiva de espuma podem :
• Bloquear os filtros de saída de ar;
• Aumentar a pressão do biorreator (perda de meio, danos ao reator e mesmo a quem está operando)
• O controle é feito com a adição de agentes antiespumantes baseados em silicone ou óleos vegetais que desestabilizam a espuma pela redução da tensão superficial.
SISTEMAS DE AGITAÇÃO• Fatores que afetam a formação de espuma e adição de
antiespumante:• Meio de fermentação: meios ricos em proteínas tendem a formar
mais espuma. Muitas células produzem moléculas tipo detergente (ácidos nucleicos e proteínas excretadas na lise das células ou compostos lipídicos produzidos durante o crescimento);
• Produtos excretados durante o processo;• Taxa de aeração e velocidade do agitador (, formação de espuma);• O volume livre no reator: em sistemas nos quais a espuma é
formada facilmente, o volume de trabalho deve ser reduzido para facilitar o controle de espuma. Quanto maior o volume livre, maior a probabilidade da espuma colapsar por causa do seu próprio peso;
• Temperatura do condensador: em reatores de laboratório uma temperatura mais baixa pode ajudar no controle da espuma. A densidade da espuma aumenta quando ela se move de uma região mais quente para a região fria do condensador, causando o colapso da espuma;
• Quebradores mecânicos de espuma: impelidor de alta velocidade. A bolha é puxada para o impelidor e colapsa por ação de forças mecânicas. Em pequenos reatores de laboratório são utilizados quebradores ultrasônicos, que geram vibrações de alta frequênciaresponsáveis por quebrar as bolhas da espuma.