Aula 10 - Eng BioQuimica B

Prévia do material em texto

Sistema de Aeração
Aula 10
AERAÇÃO
 Nos microorganismos de metabolismos aeróbio, o O2 é utilizado 
como aceptor final de e-, ao final da cadeia respiratória, sendo 
reduzido a água e a formação de moléculas transportadoras 
de ATP fonte energéticas das células.
 (CH2O)n + nO2  nCO2 + nH2O (carboidrato simples)
 MO(C,H,N,S) + 5O2  CO2 + H2O + NO3- + SO42- (MO complexa)
 Ex. de processos conduzidos em AEROBIOSE:
 Produção de antibióticos, ácido lático, acético, cítrico, enzimas, vitaminas, 
fermentos, vacinas.
 Tratamento biológico e de águas residuais.
 A síntese de ATP é oriunda da oxidação da matéria orgânica, 
que é bastante solúvel em água, assim como a maioria dos 
componentes de um dado meio de cultivo.
Solubilidade do Oxigênio
 Em processos naturais:
 A presença do O2 na água se deve, em parte dissolução do 
ar atmosférico na água;
 Outra fonte de oxigênio é o processo de fotossíntese;
 É possível dissolver grandes quantidades de fontes de C, N,P entre ou 
nutrientes.
 Entretanto, o O2 é pouco solúvel em água, tornando-se impossível 
fornecer de uma só vez todo o O2 necessário:
 A baixa solubilidade está relacionada ao caráter apolar do O2 que 
faz uma interação intermolecular fraca com a água.
)()( 22 aqOgO 
Cálculo da Concentração de Saturação de O2.
 A partir do conhecimento da composição química do meio:
 avaliação instantânea  trabalhoso e exige 
conhecimento detalhado da composição do meio;
 Em se tratando de soluções diluída  LEI DE HENRY 
 “concentração de O2 dissolvido no equilíbrio (saturação) é 
proporcional à pressão parcial de O2 no gás”.
gS PHC .
Lei de Henry
 Para soluções bastante diluídas, o processo de dissolução do 
O2, pode ser definido pela equação de Henry:
 Cs, concentração de O2 na saturação (gO2/m3).
 H, constante de Henry (gO2/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).
Considerando:
P=1 atm;
T= 25oC
X02 = 0.21%O2 no ar seco;
H = 1,29 X10-3 mol/L.atm;
gS PHC .
L
mol 107,2 4 xCs
L
mgCs 6,8
 Solução: O2 deve ser continuamente suprido ao fermentador;
Operação Unitária – Transferência de massa:
Transferência de soluto de uma fase gasosa para uma fase líquida. 
Absorção de um gás (O2) por um líquido.
Algumas Observações:
 Temp. mais baixa 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.
Sistemas de Transferência de Oxigênio
(1)Aeração superficial;
(2) Aeração em contrafluxo 
com o mosto - reator com 
células imobilizadas. 
Aeração serve também 
como agitador;
(3) Tanque agitado e aerado;
(4) Coluna de bolhas;
(5) Air-lift (ar introduzido 
numa chaminé no interior 
do reator promove 
intensa agitação;
(6)”Draught-tube”
1 2 3
4 5 6
Controle de OD num Bioreator
Variável Controlada: concentração de O2 dissolvido
Variável manipulada: vazão de ar na linha
Atuador: compressor de ar
Sensor: eletrodo de íon específico em contato com o meio
Perturbação: Alterações no metabolismo dos microorganimos no reator
SENSOR
CONTROLADOR
ATUADOR
Mecanismos de Transferência de O2
 Objetivo do sistema de agitação e aeração: 
 transferir O2 da fase gasosa para a fase líquida.
 Objetivo: manutenção da atividade respiratória 
de um conjunto de células.
Transf. de O2 da fase gasosa para a fase líquida
Penetrar nas células O2 deve chegar
e ser metabolizado as células
 FORÇA MOTRIZ GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO
Esquema das principais etapas da transferência de O2
Várias resistências associadas com essas etapas
Bolha de ar
Resistências associadas a transferência de O2
R3 Transferência de O2 da fase gasosa para a fase líquida é 
controlada por 2 películas.
 Teoria das 2 camadas estagnadas, a de gás e a de 
líquido, situadas em cada lado da interface gás-líquido
R1 Desprezível devido a intensa agitação. 
R2 Desprezível. 
R3 Resistência dominante. Função da difusividade do O2 no liq, e da 
espessura da película 
R4 Desprezível. Liq. suficientemente agitado. 
R5 Desprezível devido a enorme área exposta ao meio líquido. 
R6 Desprezível. O O2 penetra na célula por simples difusão. 
R7 Pouco significativa. No caso de células eucarióticas  alguma 
dificuldade para o O2 atingir as membranas. Procariontes ( ~ 0) 
R8 Relacionado com a velocidade de consumo final do O2. 
 
Kg KL
O2
Teoria das duas Películas
Coeficiente de Transferência de Massa individuais:
 Kg, coef. de transferência de massa pela película gasosa (m/h)
 Relação entre a difusividade e a espessura da película estagnada
 KL, coef. de transferência de massa pela película líquida (m/h)
 O2, Fluxo de O2 (gO2/m2.h)
 Em virtude da intensa movimentação das moléculas de gás, a resistência 
na fase gasosa (R1) pode ser considerada desprezível e, portanto toda a 
transferência de O2 deve-se a película estagnada da fase líquida.
ig PPP 
CCiC 
)( )( )( . . )( . . 2 CCkCCkPPHkPPHk iLiSgLiLiggO 
continuando
 (KL.a), coef. volumétrico de transferência de O2 (h-1).
 Propostas possíveis para aumentar a transferência de O2:
 CO2 no gás de entrada. ( pg = P.X02)
 P na cabeça do fermentador
 Frequência de agitação. a, KL
 Vazão de aeração
) ( k 2 CCsLO 
) ( a. .k a . 2 CCsLO 
)( 
)( 
3
2
2
mmeiodoVolume
mOdeciatransferêndeárea
a 
Respiração Microbiana
Consumo de O2 dissolvido e disponível para a respiração;
 Concentração Crítica de O2 – [mg/L]
 Demanda de O2 - Velocidade de consumo de oxigênio –
dO2/dt - [gO2/m3.h]
 Velocidade específica de respiração – (Q02) – [gO2/gcel.h]
 X, Conc. celular -(gcel/L)
dt
dO
X
QO
2.
1
2 
Análise conjunta da transferência e consumo 
do Oxigênio
 Durante o cultivo do micro-organismo, ocorre a transferência 
de O2 da fase gasosa para a fase líquida, enquanto que, 
simultaneamente , o micro-organismo consome o O2 dissolvido.
 Balanço de O2 
no meio líquido:
 Numa situação em que dC/dt = 0
(fornecido = consumido)
XQCCak
dt
dC
SL .02. )( 
)(
.
. 2
CCs
XQ
ak OL 

 Velocidade de respiração para um micro-rganismos, pode ser 
descrita por:
K0, Constante de saturação para o O2 (gO2/m3)
No dimensionamento de um sistema de agitação e aeração 
para se atingir a máxima velocidade específica de respiração, 
deve buscar a manutenção do O2 dissolvido acima da 
concentração crítica, a fim de que o O2 não seja o limitante.
CK
C
QQ OO 

0
max
22 . LEI DE MONOD
Acima de uma determinada 
concentração de O2 dissolvido, o 
valor de Q02 é constante e máximo
 Estratégias de Operação de sistemas aerados:
 1) Com monitoramento constante:
 Uso de eletrodos para avaliar a concentração de O2 dissolvido 
ação de controle para manter constante a concentração.
 Esse estratégia de operação implica na necessidade de 
investir em sistema de controle, no entanto gera uma 
economia de energia.
 2) Trabalhar no condição de máxima demanda
 Determinar o valor de KL.a para o instante de máximo valor de 
QO2.X, praticando esse valor desde o início do processo.
 Nesse caso, a concentração de O2 variará com o tempo, 
atingindo o valor mínimo no momento de Q02.X for máximo.
 Essa opção de controle gera um gasto maior de energia e 
um menor custo de investimento no sistema de controle.
XQCCak
dt
dC
SL .02. )( 0 