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Aula 7 aeração e agitação 2015 1

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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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