Aeração em Biorreatores

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AERAÇÃO em Biorreatores
Importância Transferência O2
● Entre os processos biotecnológicos de interesse industrial os processos
conduzidos em AEROBIOSE são os mais utilizados.
Respiração aeróbica: C6H12O6 + 602 = 6CO2+6H2O
➔ Para 1 mol de glicose 6 mol de O2 gerando= 668.000 cal
Respiração anaeróbica: C6H12O6 + 12KNO3 = 6CO2+6H2O+12KNO2
➔ 429.000 cal
Fermentação alcoólica: C6H12O6=2CO2+2 C2H5OH
➔ 54.000 cal
● Dissolução dos componentes dos meios de cultivo.
➔ Ex: Glicose centenas de gramas em 1 litro
● Oxigênio é pouco solúvel em água, a concentração de O2 dissolvido na
saturação é de apenas 7 mg de O2/Litro, ao borbulhar ar atmosférico à pressão
de 1 atm e a 35ºC
● Baseado na baixa capacidade de armazenar o O2 em soluções, os processos
aeróbicos dependem da capacidade de transferir o O2 para a fase líquida.
Sistemas Transferência O2
1: De Superfície (Bandeja/ Lagoa)
● Normalmente podem ser
açudes ou lagoas de decantação
● A transferência de O2para o
meio ocorre na superfície entre o
meio líquido e a atmosfera
● O chafariz ocorre quando
aumenta a aeração do meio
2: Microorganismo Fixo
● Ex: Produção de Vinagre
● A entrada de meio é por cima e vai descendo (através disso já há uma aeração)
● Porém, pode ser necessário incorporar mais ar para que as necessidades
metabólicas da célula cultivada sejam suficientes
● Então se força a entrada de ar fazendo uma recirculação do meio
● 1 e 2 são chamados de reatores de aeração superficial, enquanto os demais são
de profundidade (por borbulhação)
3: Coluna de Bolhas
● Fermentadores que usam gases
● Quando maior a bolha maior a superfície de contato
● Tem-se um tanque no qual se enche de meio de cultura e se faz a passagem de
ar forçada de baixo do tanque para cima;
● Se faz uma distribuição do ar e a pressão exercida já serve para homogeneizar o
tanque
● Tanto no 3 como no 4 o próprio ar faz a agitação
4: Air-Lift
● Ar liberado dentro de uma coluna
● Normal em eucarionte
● A diferença pro 3 é que a entrada de ar é centralizada em um tubo
● A forçação da passagem do tubo provoca movimentos que facilitam a
homogeneização do meio
● 3 e 4 são adequados para cultivo de células sensíveis
● Vantagem: temmuito menos peças móveis, logo, a possibilidade de
contaminação é menor
● Limitações: próprio volume e capacidade volumétrica para que o compressor
tenha para fornecer o ar necessário para dar agitação
5: Fermentador Clássico
● Tanque agitado e aerado
● Faz um vórtex no tubo a partir das hélices que provocam agitação
● O ar entra por baixo e é distribuído a partir dessa agitação
● Diâmetro 1:1
● Mais comum
6: Draught Tube
● É o que causa maior cisalhamento das células
● Baseado no molde do 5, também tem uma hélice
● Tanque agitado e aerado
● Bastante comum
Concentração O2 dissolvido em soluções saturadas
● 0,209: é como se fosse 100% do
O2 no ambiente
● 6,99: é a concentração de O2
● Sal dificulta a dissolução de O2
● Para conseguir alta
concentração de O2, aumenta-se a
pressão do tanque
● O maior consumo de O2
acontece na fase exponencial
● Sondas avaliam a quantidade de O2 mas tem vida
curta
● Existem dois tipos de técnicas eletroquímicas
para medir O2 em solução: eletrodo galvânico e
eletrodo polarográfico. Em ambos os casos
utiliza-se um eletrodo que reage com o O2
dissolvido gerando uma corrente que é
proporcional à quantidade de O2 consumido.
Transferência O2
● Para o ar passar da bolha,
ele enfrenta algumas
barreiras até ele encontrar
a célula trabalhada
● Ao redor da célula
também há um ambiente
distinto e uma vez
entrando em contato com
a célula, o O2 terá uma
penetração ativa e será
metabolizado
● Na imagem, dá para perceber a característica do líquido (quanto mais líquido,
mais fácil a passagem do ar)
● Quando se torna mais viscoso, fica mais difícil
● Em geral, meios de cultivo são ricos em proteína, e ao entrar em contato com
O2, a tendência é a formação de espuma
● Espuma em excesso pode entupir o filtro e dificultar a fermentação. Para evitar
isso, usa-se um agente antiespumante que modifica a tensão superficial do
meio
● Porém, ao mudar a tensão superficial dificulta-se a passagem e contato da
bolha de ar à célula
Transferência de O2 em Sistemas agitados e aerados
● O Objetivo da agitação é manter homogênea uma solução, com o objetivo de:
➔ Manter sólidos em suspensão;
➔ Tornar eficiente os transportes de calor e massa;
➔ Para se obter o movimento procura-se transmitir potência (Energia/Tempo)
ao líquido.
● Fatores que influenciam a transmissão de potência ao liquido:
➔ Tipo de impelidor.
➔ Seu diâmetro.
➔ Frequência do agitador.
➔ Diâmetro do Tanque.
➔ Altura da coluna líquida.
➔ Existência de Chicanas.
➔ Características do líquido.
Dependendo do processo, usa-se um tipo de agitação mais interessante. Ex: Células
bacterianas aguentam a porrada que sofre na parede celular e são menos sensível
no geral.
VIBRO FERMENTADOR:
● O equipamento consiste em um recipiente fechado com uma
hélice ou um conjunto de agitadores que giram em alta
velocidade, criando umamistura homogênea da substância.
● Em um fermentador convencional, a agitação é realizada
geralmente por meio de pás ou agitadores mecânicos que se
movimentam no interior do recipiente, de forma a promover
a mistura e aeração do meio de fermentação.
● Já no caso do vibro fermentador, a agitação é realizada por
meio de vibrações mecânicas aplicadas diretamente no
recipiente que contém omeio de fermentação. Essas vibrações são capazes de
promover umamistura mais homogênea e eficiente do meio de fermentação,
além de facilitar a aeração do meio e a distribuição dos nutrientes para as
células microbianas.
● Outra diferença é que o vibro fermentador é capaz de operar em condições
mais controladas, como a temperatura, pH e aeração do meio, o que pode
resultar em uma produção mais consistente e de maior qualidade.
HOMOGENEIZAÇÃO:
● O elemento que fará a
homogeneização será definido a partir
da sua finalidade.
● Omais comum é a turbina RUSHTON
● Para células mais delicadas: agitador
em âncora
Termos
VVm= vol ar / vol meio / minuto
KLa= taxa de transferência de O2
Ampliação de escala utiliza KLa.
Agitação x Aeração –influenciam o KLa.
VVm não é muito informativo, assim como Densidade óptica ou rpm.
➢ Di= diâmetro do motor
➢ HL= Altura de líquido
➢ C/Di=1
➢ Di< Hi< 2Di
➢ Hi=distancia entre turbina.
➢ HL-Di/ Di > No. de
turbinas> HL-2Di/ Di
➢ Hi/Di> 1,8 ocorre a
transferência em dobro
ELEMENTOS FILTRANTES:
Em resumo, os elementos filtrantes são utilizados na
fermentação para separar as células e microrganismos produzidos do meio de
fermentação. O tipo de filtro utilizado depende da aplicação específica e do tipo de
fermentação.
1. Filtros de membrana: são filtros com poros muito pequenos, capazes de reter
as células e microrganismos presentes no meio de fermentação. Eles são
amplamente utilizados em fermentações em que se deseja obter um produto
límpido e transparente, como a produção de bebidas alcoólicas e fermentos
lácticos.
2. Filtros prensa: são utilizados para separar o meio de fermentação das células e
microrganismos produzidos por meio de pressão mecânica. Eles são
comumente utilizados em fermentações em que se deseja obter um produto
sólido, como a produção de queijos e iogurtes.
3. Filtros de gravidade: são utilizados para separar as células e microrganismos
produzidos por sedimentação. Eles são comumente utilizados em
fermentações em que se deseja obter um produto líquido, como a produção
de cerveja e vinho.
4. Filtros de leito fixo: são utilizados para separar as células e microrganismos
produzidos por meio de um leito fixo de material filtrante. Eles são
amplamente utilizados em fermentações em que se deseja obter um produto
líquido com alta concentração de células ou microrganismos, como a
produção de enzimas e vacinas.