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M E L I S S A L I M O E I R O E S T R A D A G U T A R R A Aeraçao e agitaçao de meios de cultivo Esquema da apresentação: 1. Tipos de reatores quanto a aeração 2. Funções da aeração 3. Variáveis que influenciam a aeração 4. Tipos de reatores quanto a agitação 5. Funções da agitação 1) Tipo reatores segundo a aeração Podem empregar aeração superficial ou em profundidade Aeração superficial – fermentação em superfície (bandejas), lagoas anaeróbias ou em sistemas de células imobilizadas de leito fixo. Aeração em profundidade - distribuição de ar através de borbulhamento Quase todos os reatores podem operar com aeração em profundidade, incluindo: tanques agitados, air lift, coluna de bolhas,reatores com células imobilizadas. Outra estratégia – aeração por membrana Módulos internos ou externos ao reator O ar circula no interior de membranas e é transferido para o liquido Evita a formação de espuma Qual a principal importância da aeração em Bioprocessos? Promover a transferência de oxigênio da fase gasosa para o meio de cultivo e conseqüentemente para o microrganismos Maioria dos processos ocorre em aerobiose Produção de antibióticos, enzimas, vitaminas, fermentos, proteínas recombinantes, sistemas envolvendo células animais, alguns sistemas de tratamento de efluentes. Metabolismo – respiração aeróbia - O2 é o aceptor final de elétrons C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Por que a necessidade de aportar o oxigênio ao longo de toda fermentação? Alta demanda Baixa solubilidade em água A concentração de oxigênio dissolvido na saturação é da ordem de 7mg/L (7ppm), ao se borbulhar ar a 1atm e a 35oC Necessidade de transferir oxigênio para o meio de cultivo continuamente. Sistemas com alta densidade celular – sistema eficiente de transferência de oxigênio Efeito das variáveis na concentração de oxigênio dissolvido na saturação Temperatura – a concentração de oxigênio diminui com o aumento da temperatura Concentração de sal- a concentração de oxigênio diminui com o aumento da concentração de NaCl Área de troca – tamanho das bolhas – tipo de dispersor Pressão de O2 na fase gasosa - a concentração de oxigênio aumenta com da pressão de O2 (O2 puro pode levar a concentração de 40,3 mg/L de O2 Diferenças na composição do meio ao longo da fermentação alteram a concentração de O2 dissolvido no meio Determinação da concentração de O2 pode ser feita apenas no início da fermentação Para líquido diluídos é usado a lei de Henry, no qual a concentração de oxigênio na saturação (Cs ) é proporcional a pressão de O2 na fase gasosa (Pg): Cs = H.Pg Neste caso é preciso conhecer a constante H do liquido. Ar na pressao total de 1atm apresenta Pg de 0,209 atm Transferência de oxigênio Etapas: •Transferência do oxigênio da fase gasosa para a fase liquida •Transporte do oxigênio dissolvido para as células – proporcionado pela agitação •Penetração e consumo Transferencia é realizada através das peliculas de gas e liquido entorno da interface Depende diretamente da área superficial de troca (bolhas) dentro do liquido a = área interfacial de transferencia de massa volume de liquido Considera-se apenas Cs e C Assim temos: dC = kLa (Cs-C) dt Onde: kL =coeficiente de transferencia de massa da película liquida a = área superficial das bolhas por unidade de volume Cs = concentração de O2 na bolha C = concentração de O2 no seio do liquido dC/dt = variação da concentração de O2 no liquido ao longo do tempo. Desta forma um aumento na concentração de O2 dissolvido no meio (C) pode ser obtido: Aumento de Cs – enriquecimento do gás de entrada em O2 aumentando Pg e consequentemente Cs Aumento da a – rompimento e aumento do número de bolhas pelo incremento da agitação ou redução da espessura do filme liquido aumentando kL. Aumento de a – aumento da aeração e consequentemente do numero de bolhas Consumo de O2 – respiração aeróbia Calculo da velocidade específica de respiração QO2 = 1 . dO2 X dt QO2 = velocidade específica de respiração (gO2/gcel.h) X = concentração celular (g/m3) dO2 /dt = velocidade de consumo de O2 (variação) Depende do micro-organismo, do meio e das condições de cultivo O QO2 é função do oxigênio dissolvido no liquido, seguindo a equação de Monod: QO2 = QO2max . C Ko +C QO2max = maximo valor para (gO2/gcel.h) Ko = constante de saturação para o oxigênio (gO2/m3) Acima de uma dada concentração de O2 dissolvido (Ccritico) o valor de O2 é constante Trabalhando-se acima deste valor tem-se uma condição onde o oxigênio não é limitante Micro-organismo Temperatura (oC) Ccrit (mg/L) Escherichia coli 37,8 0,26 Levedura 34,8 0,15 Aspergillus oryzae 30,0 0,64 Deve-se levar em consideração o consumo para calcular dC/dt dC = kLa (Cs-C) - QO2 X dt Para ter dC/dt proximo a zero deve-se ajustar kLa em funçao de QO2 X - através de controle da velocidade de agitaçao e taxa de aeração Mediçao de kLa (coeficiente volumétrico de transfêrencia de O2) Método do sulfito – sem a presença de micro-organismo Se baseia na rápida oxidação de sulfito a sulfato na presença de O2. Desta forma, substitui-se o meio por uma solução de sulfito de sódio e o catalisador um sal de cobre onde se aplica aeração. A variação da concentração de sulfito no meio ao longo do tempo permite por estequiometria calcular dC/dt Assim temos kLa em função de Cs Método dinâmico de Humphrey – na presença de micro- organismo Consiste em interromper o sitema de aeraçao e medir através do eletrodo a queda na concentraçao de oxigênio dissolvido Assim tem-se: dC = - QO2 X dt Calculando o coeficiente da reta e sabendo-se X é possivel calcular QO2 Restabelecendo a aeraçao e voltando-se ao valor de C inicial e considerando que a variaçao é muito lenta e dC/dt = 0, tem-se: kLa = QO2 X (Cs-C) A eficiência da transferência de oxigênio é o principal gargalo da fermentação submersa Na fermentação no estado sólido a fase liquida é reduzida e não é continua, apresentando grande superfície para transferência de oxigênio No caso de fungos filamentosos as hifas aéreas podem captar o oxigênio direto do ar 2) Tipo de reatores segundo a agitação Em geral a agitação de biorreatores pode ser obtida mecanicamente, de forma pneumática (injeção de ar) e por fluxo de liquido Mecânica FS -Tanques agitados FES – leito agitados e tambores rotatórios Pneumática FS - air lift e coluna de bolhas FES – leito fluidizado Fluxo de liquido Quais são as funções da agitação? Em fermentação submersa •Homogeneização de líquido – evita sedimentação da biomassa e outros sólidos; evita a formação de gradientes de concentração de substrato e produto • manter sólidos em suspensão • Melhorar a transferência de massa e calor – efeito na velocidade de transferência de oxigênio Em FES: • Homogeneizar a matriz sólida •Melhorar a transferênciade massa e calor É mais importante em processos aerados Eficiência da agitação mecânica depende: Tipo de impelidor – movimentos radiais ou axiais Diâmetro do impelidor Número de impelidores Distância entre os impelidores Frequência da agitação Diâmetro do tanque Altura da coluna de liquido Existência de chicanas e sua largura Características do liquido (viscosidade) Otimização de bioprocessos
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