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Slides 10 - Aeração Agitação de mostos

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Agitação e aeração em 
reatores de fermentação
Prof. Edmar das Mercês Penha
05/06/2007
Importância dos processos 
aeróbios
• Diversos processos fermentativos industriais de 
grande importância são conduzidos por 
microrganismos aeróbios: produção de 
antibióticos, vitaminas, enzimas, fermentos, 
ácidos orgânicos, hormônios, etc.
• Para o cultivo de células microbianas em 
condições de aerobiose, a aeração e a agitação 
do mosto são fatores fundamentais para o 
sucesso da fermentação.
Importância do oxigênio
• Assim, torna-se crítico o estudo da transferência 
de oxigênio para a massa reacional pois, do 
ponto de vista bioquímico, o oxigênio é o último 
elemento a aceitar elétrons, ao final da cadeia 
respiratória, sendo reduzido a água.
• Ex: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H20
Solubilidade do Oxigênio
• É possível dissolver grandes quantidades 
de fontes de C, N, P, entre outros 
nutrientes.
• Entretanto, a solubilidade do oxigênio, em 
água, é muito baixa, da ordem de 7 
mgO2/L (7ppm) a 1 atm/35°C.
• Portanto, de nada adiantaria dissolver 
grande quantidade de nutrientes se não 
for possível suprir o O2 necessário ao seu 
uso.
Tipos de biorreatores
Sistemas para transferência de 
oxigênio - Aeração Superficial
• 1. Aeração superficial - ocorre em reatores do tipo 
bandeja ou em lagoas de oxidação (TBR).
• 2. Aeração em contra-fluxo com o mosto líquido -
indicado para reatores com células imobilizadas em 
leito fixo, como na produção de vinagre e filtros 
anaeróbios em TBR.
• Nesses sistemas a aeração serve também como 
misturador.
• Esses sistemas exigem maior fornecimento de ar, 
devido a alta taxa de aplicação o que implica em maior 
consumo de energia e potência do compressor.
Sistemas para transferência de 
oxigênio - Aeração Submersa
• Aeração em profundidade ou 
submersa:
• 3. por borbulhamento de ar como 
por exemplo - coluna de bolhas, 
com auxílio de difusores do ar 
(sistema air-blown; com auxílio de 
uma chaminé localizada no centro 
e ao fundo do reator o ar é
introduzido, de baixo para cima, 
transbordando junto à superfície 
(sistema air-lift).
• 4. por borbulhamento de ar 
associado a dispositivo mecânico -
o ar é borbulhado em fluxo 
ascendente e conta ainda com um 
misturador mecânico (hélices ou 
turbinas).
http://www.feq.unicamp.br/~mak/Roteiros/dtr/figura1.gif
Sistema de agitação mecânica
• a) Agitador mecânico - tem a função de manter a uniformidade do 
meio, facilitando a transferência de massa entre os microrganismos
e o meio. 
• Ex: Pá, Helicoidal, Turbina
• b) Distribuidor - serve para distribuir o ar alimentado à dorna, 
conseguindo-se maior área de contato gás/líquido. 
• c) Chicanas - são placas defletoras, colocadas em número par em 
diversas alturas da dorna, diametralmente opostas, e servem para
evitar a formação de vórtice. 
• d) Serpentinas - servem para esterilização do meio ou do ar, para
aquecimento ou para resfriamento da dorna. 
• e) Filtros esterilizantes de ar (leito fibroso ou placas).
• f) Compressores de ar.
Detalhes de um sistema de 
agitação mecânica
Vazão específica de ar
• É definida como o volume de ar suprido 
ao sistema por litro de mosto por minuto.
• Também representado pela sigla v.v.m.
• Nos sistemas superficiais a ordem de 
grandeza é de 1 v.v.m., isto é, 1 litro de ar 
por litro de mosto por minuto.
• Nos sistemas com agitação mecânica a 
ordem de grandeza é de 0,5 v.v.m.
Concentração de O2 dissolvido na 
saturação em diferentes condições
Temp (°C) Conc. NaCl
(M)
P. Parc. O2
(atm)
Conc. O2 na
sat. (mg/L)
Cte. Henry
(mg/L.atm)
25 - 0,209 8,10 38,8
35 - 0,209 6,99 33,4
25 - 1,0 40,3
25 0,5 1,0 34,2
25 1,0 1,0 28,5
25 2,0 1,0 22,7
Considerações sobre a 
solubilidade do O2
• Temp. mais baixas aumentam a sua 
solubilidade.
• Atmosfera rica em O2 aumenta a sua 
solubilidade.
• Sólidos dissolvidos reduzem a solubilidade do 
O2.
• A concentração de sólidos dissolvidos varia ao 
longo da fermentação.
• A produção de metabólitos solúveis altera a 
densidade/viscosidade do meio.
Cálculo da concentração de 
saturação de O2
• 1. A partir do conhecimento da 
composição química do meio - medido a 
cada instante é trabalhoso e elaborado, 
exige o conhecimento detalhado da 
composição do meio.
• 2 - Determinação experimental - útil mas 
limitada ao instante inicial da fermentação.
Lei de Henry
• Segundo a qual a concentração de O2 
dissolvido no equilíbrio (saturação) é
proporcional à pressão parcial de oxigênio 
no gás.
Equação de Henry
• Para soluções bastante diluídas a 
equação de Henry pode ser aplicada:
Cs = H.pg
• Cs = concentração de oxigênio na saturação (g O2 /m3)
• H = constante de Henry (g O2 /m3.atm)
• pg = pressão parcial de O2 na fase gasosa (atm) = xO2.P
• xO2 = fração molar ou volumétrica do O2 no gás
• P = pressão total do gás (atm)
Medida da concentração de O2 
dissolvido no meio
• Durante uma fermentação essa medida é
obtida através de eletrodos polarográficos ou 
galvânicos.
• Caso não seja conhecida a constante de 
Henry para o líquido em estudo, também não 
se conhecerá o valor absoluto da 
concentração de saturação.
• Entretanto, durante a fermentação, o eletrodo 
indicará valores entre 0 e 100%, ou seja, a 
concentração de O2 em relação à saturação.
Transferência de O2 e 
respiração microbiana
• Esse processo consiste, inicialmente, em 
transferir oxigênio (gasoso) para a fase 
líquida;
• A seguir, o oxigênio dissolvido na fase 
líquida deverá penetrar nas células 
suspensas para, finalmente, ser 
metabolizado.
Esquema das principais etapas da 
transferência de O2 e 
metabolização
Bolha de ar
1 3
2
4
5
6
7
8
Interface
gás-líquido
Películas
estagnadas
Reação
Bioquímica
Célula
Microbiana
Etapas do processo de 
transferência de O2 e 
metabolização
• 1ª - Dissolução ou transferência de O2 
gás para o líquido (interfaces 1, 2 e 3);
• 2ª - Difusão do O2 até a célula (interface 
4);
• 3ª - Absorção e consumo do O2 pela 
célula (interfaces 5, 6, 7 e 8).
Resistências (R) associadas a 
transferência de O2 e 
metabolização
• R1: resistência devido à película gasosa estagnada através da 
qual o O2 deve difundir.
• R2: resistência na interface gás-líquido.
• R3: resistência associada à película líquida estagnada ao redor 
da bolha.
• R4: resistência associada a difusão do O2 até a célula.
• R5: resistência devido à película líquida em torno da célula.
• R6: resistência imposta pela membrana celular.
• R7: resistência devido à difusão do O2 no citoplasma.
• R8: resistência associada a velocidade da reação final de 
consumo deste O2.
Transferência de O2 para a 
fase líquida
• Das resistências associadas a 
transferência do O2 para a fase líquida 
(R1, R2, R3 e R4) pode-se considerar que 
somente a última é relevante pois está
associada a difusividade do O2 no líquido 
e a espessura da camada.
Transferência de O2 para a 
célula e sua metabolização
• Das resistências associadas a 
transferência do O2 para a célula (R5, R6, 
R7 e R8) pode-se considerar que somente 
a última é significativa, ou seja, depende 
da atividade enzimática para a 
metabolização do O2. 
• Assim, projetar um sistema de 
transferência de O2, consiste em fazer 
uma dissolução eficiente do O2 no meio 
líquido.

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