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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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