Aeração em Bioprocessos

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Aeração em Bioprocessos 
Nei Pereira Jr. 
Professor Emérito 
Laboratórios de Desenvolvimento de Bioprocessos 
Escola de Química-CT/UFRJ 
nei@eq.ufrj.br 
mailto:nei@eq.ufrj.br
Exemplos de Bioprocessos Aerados 
 Fermentação acética 
 Fermentação cítrica 
 Fermentação itacônica 
 Produção de levedo de panificação 
 Produção de antibióticos 
 Produção de vacinas 
 Produção de vitaminas 
 Produção de enzimas 
 Processos de biotransformação 
 Processos com microrganismos recombinantes 
 Cultivos de células animais 
 Biotratamento de resíduos e efluentes 
I
Solubilidade de oxigênio a diferentes temperaturas 
 
 
Temperatura 
(°C) 
Solubilidade 
(Ar, 1 atm) 
mmol O2 / L mg O2 / L 
0 0.456 14.6 
10 0.355 11.4 
15 0.322 10.3 
20 0.288 9.24 
25 0.263 8.42 
30 0.242 7.75 
35 0.228 7.29 
40 0.215 6.90 
A quantidade de oxigênio que um determinado volume de 
água pode solubilizar é função da: 
1. pressão atmosférica exercida na interface ar-água; 
2. temperatura da água. 
3. quantidade de substâncias dissolvidas na água. 
Aeração em Biorreatores 
Métodos de aeração 
 
 Aeração superficial (turbulência ao nível de superfície) 
 Aeração forçada (com distribuição de ar) 
 
 
 
Tipos de Biorreatores 
 
 Culturas estacionárias 
 Frascos agitados 
 Biorreatores agitados mecanicamente 
 Biorreatores com escoamento pneumático 
 (colunas de bolha e biorreatores de leito expandido por ar) 
 Biorreatores de leito fluidizado 
Detalhe de um aerador de superfície 
A aeração forçada também pode ser fornecida 
através de aeradores de superfície 
Culturas estacionárias 
Fernback 
Frascos agitados 
A taxa de transferência de O2 (TTO) depende: 
 
 velocidade de agitação; 
 volume de líquido; 
 geometria do frasco (área superficial e chicanas). 
sem chicanas com chicanas 
volume de líquido 
área superficial 
chicanas 
 TTO 
 TTO 
 TTO 
 
É o tipo mais comum de biorreator, altamente flexível. 
 
Agitação mecânica: 
 
 Distribui/dispersa as bolhas gasosas através do biorreator; 
 Aumenta o tempo de residência das bolhas; 
 Subdivide bolhas de grande tamanho para formar bolhas menores; 
 Fornece altos valores de taxa de transferência de oxigênio; 
 Ar é suprido por um distribuidor; 
 Mistura é realizada por meio de impelidores do tipo disco ou turbina; 
 Chicanas também aumentam a mistura. 
Biorreatores com agitação 
mecânica interna 
Biorreatores 
agitados mecanicamente 
sem borbulhamento de ar 
N=300 rpm: 
pouca incorporação de ar 
N=450 rpm 
bolhas grandes são 
incorporadas ao meio 
N=750 rpm 
o meio de cultivo está rico com 
bolhas pequenas incorporadas 
pela superfície do líquido 
Biorreatores agitados mecanicamente 
com aeração forçada 
A agitação mecânica é usada para subdividir as bolhas e, portanto, aumentar a 
capacidade de oxigenação do sistema. Obviamente, biorreatores STR com 
distribuição de ar necessitam de significativamente menores velocidade de 
agitação para atender altas eficiências de aeração quando comparados àqueles 
apenas agitados mecanicamente. 
Biorreatores com escoamento pneumático 
O biorreator airlift difere do coluna de bolhas pela presença de um dispositivo, colocado 
interna ou externamente, denominado draft tube, que promove melhor transferência 
de massa, calor e quantidade de movimento. Tanto um quanto outro são comumente 
utilizados em culturas de microrganismos sensíveis ao cisalhamento decorrente da 
movimentação do líquido. 
Estes biorreatores possuem alta 
relação H/DT (entre 8:1 e 20:1) a 
fim de se alcançarem elevadas 
retenções das bolhas gasosas no 
seio do líquido e de gerar altas 
pressões hidrostáticas na região 
próxima à distribuição do ar (na 
base do biorreator) 
O Biorreator Airlift: 
 
Regiões: air riser (de percurso ascensional das bolhas); 
 downcomer (de percurso descendente das bolhas) e 
 disengagement (de separação). 
Aplicações: 
 
• Células floculantes; 
• Células imobilizadas; 
• Células vegetais. 
Funções do draft tube: 
 
• Aumenta o grau de mistura, imprimindo, 
fundamentalmente, escoamento axial, 
quando comparado à coluna de bolhas; 
• Reduz coalescência das bolhas; 
• Equaliza as forças cisalhantes ao longo 
do biorreator. 
Funções do draft tube: 
 
 Aumenta o grau de mistura, imprimindo, fundamentalmente, 
 escoamento axial, quando comparado à coluna de bolhas; 
 Reduz coalescência das bolhas; 
 Equaliza as forças cisalhantes ao longo do biorreator. 
Demanda e Suprimento 
de Oxigênio Q; vs; Na; KLa; KGa 
DEM = SUP YP/S 
YX/S 
QP 
DEMANDA: 
 
• Problema de ordem fisiológica; 
• Função das necessidades metabólicas da célula; 
• Proporcional a concentração de biomassa ativa. 
SUPRIMENTO: 
 
• Problema de ordem física; 
• Função da geometria do biorreator; capacidade dos compressores 
de ar; sistemas de agitação e de distribuição de ar; propriedades 
fisico-químicas do meio e temperatura. 
Percurso do oxigênio da fase gasosa até a célula 
1. Película gasosa estagnada no interior da bolha. 
2. Transporte através da interface gás-líquido. 
3. Película líquida estagnada próxima à bolha gasosa. 
4. Transporte através do seio do líquido. 
5. Película líquida estagnada na vizinhança do agregado celular sólido. 
6. Transporte através da interface líquido-sólido. 
7. Difusão no interior do agregado celular sólido. 
8. Transporte através da membrana celular até o sítio de reação intracelular. 
DEMANDASUPRIMENTO
dt
dCL 
A taxa de transferência (de absorção) de oxigênio é dada por: 
XqDEMANDA O  2
onde: 
qO2: demanda específica de oxigênio (mg O2/g células.h) 
X: concentração de células ativas (g/L) 
e a demanda global por: 
Teoria das duas Películas ou Teoria de Whitman 
Película 
Líquida 
Película 
Gasosa 
Pg 
Pi 
Ci 
CL 
Fase Gasosa Fase Líquida 
Interface 
G-L 
Onde: 
Pg: pressão parcial de O2 na fase gasosa; 
Pi: pressão parcial de O2 na interface gás-líquido; 
Ci: concentração de O2 dissolvido na interface G-L, em equilíbrio com Pi; 
CL: concentração de O2 dissolvido no seio do líquido. 
SUPRIMENTO 
Suposições: 
 
 Escoamento laminar ao longo da interface gás-líquido; 
 Fluxo de matéria constante nos três estágios (estado estacionário); 
 Equilíbrio instantâneo entre a pressão parcial do gás e sua concentração 
no líquido, quando o gás entra em contato com o líquido. Gás (soluto) e 
líquido (solvente) comportando-se como ideais (Leis de Henry e Rauolt). 
    aCCaPP
dt
dC
LiiG
L 
onde: 
dCL/dt: taxa de transferência de oxigênio ou taxa de absorção (mol O2/m
3.h); 
a: área específica da superfície de interface ou área da interface por unidade 
de volume de líquido (m-1). 
Incorporando-se à equação KG e KL (constantes de proporcionalidade) 
   LiLiGG
L CCaKPPaK
dt
dC

onde: 
KG: coeficiente global de transferência de massa na fase gasosa (mol O2/m
3.h.atm); 
KL: coeficiente global de transferência de massa na fase líquida (m/h). 
Como a fase que oferece maior resistência à transferência de massa 
é a líquida, temos que: 
 LiL
L CCaK
dt
dC

Fazendo-se Ci  CS:  LSL
L CCaK
dt
dC

onde: 
CS: concentração de saturação de oxigênio dissolvido (mol O2/L) 
KLa, assim como KGa, são, portanto, expressos como uma 
medida da capacidade de oxigenação do sistema reacional. 
Devido ao fenômeno de coalescência e sub-divisão das bolhas gasosas, a 
medida prática de “a” é bastante difícil, desta forma o produto dos 
coeficientes globais de transferência de massa com a área de interface 
representam com que eficiência a transferência de massa está ocorrendo. 
  XqCCaK
dt
dC
OLsL
L .
2

Modelo de Transferência de Oxigênio em Bioprocessos 
CL concentração de O2 no seio do líquido, mg/L; 
KL coeficiente global de transferência de massa na camada estagnante ao 
redor da bolha gasosa, m/min; 
a área interfacial por unidade de volume, 1/m; 
CS concentração de saturação de oxigênio dissolvido, mg/L; 
qO2 taxa específica de consumode oxigênio, mg/g cél.h 
X concentração celular, g/L 
Valores típicos de dCL/dt e KLa: 
Biorreator/escala dCL/dt 
(mmoles/L.h) 
KLa 
(h-1) 
Frasco de Erlenmeyer 30 – 60 200 – 400 
Biorreator de laboratório 60 – 120 60 – 500 
Biorreator industrial 70 - 100 100 - 400 
2. Método direto: a determinação é feita na presença 
 do agente biológico. 
 
 2.1. Método dinâmico de Taguchi e Humphrey 
 2.2. Método do balanço gasoso 
Métodos de determinação de KLa 
 
1. Métodos indiretos: a determinação é feita na ausência do 
agente biológico. Mede a capacidade de oxigenação do 
equipamento. 
 
 1.1. Desoxigenação química com sulfito 
 1.2. Oxidação do sulfito 
 1.3. Desgaseificação 
 1.4. Oxidação enzimática da glicose 
 
 LSL
L CCaK
dt
dC

 
 

 dtaK
CC
dC
L
LS
L .
 
tg  = - KLa 
tempo 
Ln (CS – CL) 
1.1. Desoxigenação química com sulfito 
  AtaKCCLn LLS  .
 
Na2SO3 + ½ O2  Na2SO4 
Cu2+ 
ou 
Co2+ 
CS 
CL 
tempo 
Emprega-se quantidade de sulfito 
estequiométrica 
.
2
31
esteq
S
L f
t
SO
C
aK




t
C
C
aK L
S
L



1
 LSL
L CCaK
dt
dC

1.2. Oxidação do sulfito 
onde: 
CS concentração de saturação oxigênio 
CL concentração de oxigênio dissolvido no seio do meio 
t tempo 
C oxigênio absorvido 
SO3
2- sulfito consumido 
festeq. fator estequiométrico = 16/126 
 LSL
L CCaK
t
C



0 
 
Opera-se com excesso de sulfito 
 
Na2SO3 + ½ O2  Na2SO4 
Cu2+ 
ou 
Co2+ 
N2 
Ar (O2) 
1.3. Desgaseificação 
tempo 
início da 
desgaseificação 
início da 
aeração 
t0 t1 
CL 
CL,1 
CL,0 
 LSL
L CCaK
dt
dC

 


1,
0,
1
0
.
)(
LC
LC
t
t
L
LS
L dtaK
CC
dC  
 
 01
0,
1,
ttaK
CC
CC
Ln L
LS
LS



180
161
t
Gli
C
aK
s
L



 1.4. Método da glicose oxidase (GO) 
196
16.1
t
GluÁc
C
aK
s
L


ou 
2.1. Método dinâmico de Taguchi & Humphrey 
  XqCCaK
dt
dC
OLsL
L .
2

 
C6H12O6 + ½ O2  -gliconolactona  ácido glucônico 
 
GO 
CL 
DEM=SUP 
I II III I 
DEM=SUP 
tg  
Cc 
tempo 
(dCL/dt)1 
(dCL/dt)2 
supressão da 
aeração 
reinício da 
aeração 
2.1. Método dinâmico de Taguchi & Humphrey 
2.1. Método dinâmico de Taguchi & Humphrey 
Região I 
Região II 
Região III 
Determinação de KLa na Região III 
Explicitando C, temos que: 
SO
L
L
L CXq
dt
dC
aK
C 





 .
1
2
  baxmy que é da forma: 
CL 
CS 
tg =-1/KLa 
XqO .2 dt
dC
Xq LO .2
coeficiente angular 
 Concentração Crítica de Oxigênio: Valores Típicos 
Quando a concentração de O2 dissolvido for maior do que a Cc as células não 
estarão limitadas em oxigênio; no entanto, a permanência das células em 
ambientes com concentrações de oxigênio dissolvido  Cc poderá 
comprometer o seu metabolismo, havendo casos em que não se consegue 
retomar as atividades fisiológicas da célula. 
2.2. Método do balanço gasoso 
Oxigênio como nutriente limitante 
Relação típica de Monod entre  e [CL] 
  X
CK
C
Y
CCaK
dt
dC
OUROTR
dt
dC
X
CK
C
Ydt
dC
OUR
X
CK
C
dt
dX
LO
Lm
O
X
LSL
L
L
LO
Lm
O
X
L
LO
Lm










2
2
1
1
  X
CK
C
Y
CCaK
OUROTR
LO
Lm
O
X
LSL




2
1
No estado estacionário: 0
dt
dCL
 
Variáveis que afetam o KLa 
 geometria do biorreator (em particular a HL); 
 
 regime de escoamento (laminar ou turbulento); 
 
 tamanho das bolhas gasosas; 
 
 propriedades físico-químicas do meio de cultivo; 
 
 temperatura; 
 
 vazão de ar introduzido no sistema; 
 
 tipos de sistema de agitação e de distribuição de ar. 
Variáveis que afetam a capacidade de oxigenação do 
biorreator: 
Variáveis que influenciam o valor de KLa 
1. Altura da coluna líquida (Eckenfelder e col.) 
B: constante 
Q: vazão volumétrica de ar 
V: volume de meio 
h: altura de coluna líquida 
dB: diâmetro da bolha 
: viscosidade do meio 
: densidade do meio 
D: difusividade do gás no líquido 
onde: 
: tensão superficial 
do : diâmetro do orifício do 
distribuidor 
L: densidade do líquido 
L: densidade do gás 
D
NSc
.

 
5,0
3/2
.
/
ScB
L
Nd
hVQB
aK   
3/1
6










gL
o
B
g
d
d


Viscosidade aparente do meio de produção 
de exopolissacarídeos por Trametes trogii 
em biorreator agitado mecanicamente 
(STB) e em biorreator airlift (ALB). 
Alterações reológicas em meios de cultivo 
com fungos filamentosos 
Viscosidade efetiva versus tempo 
do cultivo de Penicillium 
chrysogenm. 
Fonte: Charles (1978) Fonte: Xu et al. (2013) 
 tensão superficial [M.T-2] 
do diâmetro do orifício do distribuidor [L] 
dB diâmetro da bolha [L] 
L densidade do meio líquido [M.L
-3] 
g densidade do gás [M.L
-3] 
L viscosidade do líquido [M.L
-1.T-1] 
g viscosidade do gás [M.L
-1.T-1] 
Pg potência absorvida pelo líquido [M.L
2.T-3] 
 
2. Estimativa da área da bolha de ar 
Fonte: Ju e Sundararajan (1995). 
3. Hold-up () é função das propriedades físico-químicas do meio, do grau 
de aeração, podendo ser correlacionado ao número de aeração (Na), para 
diferentes tipos e dimensões de impelidor 
=0,995 g.cm-3 
=0,890 mPa.s 
=1,016 g.cm-3 
=68 mPa.s N=275 min-1 
H2O 
Sol. Amido 4% 
Fonte: Junker et al. (1998) 
  75,0890,0
853,0
03,15,0525,02 .1105,0 








  app
r
d
LmrgL A
A
DvaK
KLa: coeficiente de absorção de oxigênio 
(vg)r :velocidade superficial do gás; 
Ar : área da seção reta do “riser”; 
Ad : área da seção reta do “downcomer”; 
µapp :viscosidade aparente; 
Dm: difusividade molecular; 
L: densidade do líquido; 
: tensão interfacial. 
4. Velocidade do ar 
 n
gL vaK 
n=n(H/DT; Pg/V) 
biorreator
g
A
Q
v 
    67,0
95,0
1
0635,0 g
L
g
D
H
v v
V
P
K
T
L 







Kv=Kga: coeficiente de absorção de oxigênio 
vg :velocidade superficial do gas; 
Pg : potência efetiva 
VL : volume de líquido no biorreator 
µapp :viscosidade aparente 
 
Fonte: Cooper et al. (1944); Popvic & Robinson (1984). 
STB 
ALB 
Faixa de validade: 
0,03  vgr  0,26 m.s
-1 
0  Ad/Ar  0,44 
0,22   app  0,5 Pas 
1,003   L  1,240 kg.m
-3
 
 
5. Velocidade de Agitação 
N 
As bolhas não são subdivididas 
eficientemente e tendem ascender 
diretamente para a superfície 
Bolhas de pequeno tamanho são geradas e se 
movimentam por todo o biorreator, sendo a sua 
retenção e o seu tempo de residência aumentados 
5,05,0
4,0
Nv
V
P
KaK s
L
g
L 





Exemplo: Equação de Bartholomew (1982) 
N 
Legenda: vS do ar (×10
-3 m/s): (◊) 1,71; (■) 3,41; (x) 5,12; (•) 6,82; (∆) 8,53 
Dependência de KLa com a velocidade de agitação (N) e 
velocidade do ar (vs) em sistema G-L com um único impelidor 
do tipo turbina Smith com 6 lâminas curvas 
Fonte: Kielbus-Rąpala e Karcz (2018) 
Elevadas condições cisalhantes são 
empregadas para reduzir o tamanho das 
bolhas 
 
As taxas cisalhantes 
aumentam com a velocidade 
de agitação ou com a 
velocidade periférica do 
impelidor 
A velocidade de agitação gera forças cisalhantes importantes para a 
subdivisão das bolhas, por outro lado podem comprometer a 
integridade das células 
Turbina a Disco Pá Propulsor
6. Tipos e sistemas de agitação 
 
 
n
aK
aK
L
nL 6,04,0
1

   37,07,056,0 10./8,20,2  NvVPnaK sgL
41  n Moritz e col. 
Fukuda e col. 
7. Tipo de distribuidor de ar 
 
• bolha única; 
• tubos perfurados (anéis, cruzados); 
• discos sinterizados (material cerâmico ou metálico) 
definem o tamanho das bolhas gasosas 
Biorreator airlift de bancada 
6 furos 
de 1 mm 
36 furos de 
0,386 mm 
Sinterizado 
Volume Total 15 L 
Volume Útil 10 L 
Diâmetro (D) 150 mm 
Altura (H) 900 mm 
Relação H:D 6:1 
 LSL
L CCaK
dt
dC

 
 
 01
0,
1,
ttaK
CC
CC
Ln L
LS
LS



Método da Desgaseificação 
 


1,
0,
1
0
.
)(
LC
LC
t
t
L
LS
L dtaK
CC
dC
MAPEAMENTO DA CAPACIDADE DEOXIGENAÇÃO DO BIORREATOR (KLa) airlift 
0
10
20
30
40
50
60
70
2 4 6 8 10
K
L
a
 (
h
-1
) 
Vazão (L/min) 
6 furos de 1 mm
48 furos de 0,386 mm
Sinterizado
 LSL
L CCaK
dt
dC

 
 
 01
0,
1,
ttaK
CC
CC
Ln L
LS
LS



 


1,
0,
1
0
.
)(
LC
LC
t
t
L
LS
L dtaK
CC
dC
20
30
40
50
60
70
80
90
2 4 6 8 10
K
L
a
 (
h
-1
) 
Vazão (L/min) 
24°C
37°C
MAPEAMENTO DA CAPACIDADE DE 
OXIGENAÇÃO DO BIORREATOR (KLa) airlift 
Método da Desgaseificação 
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
10 15 20 25 30 35
K
L
a
 (
t
o
C
)/
K
L
a
(2
0
o
C
)
t (oC)
Temperatura Solubilidade (Ar, 1 atm) 
T (°C) mmol O2 / L mg O2 / L 
0 0.456 14.6 
10 0.355 11.4 
15 0.322 10.3 
20 0.288 9.24 
25 0.263 8.42 
30 0.242 7.75 
35 0.228 7.29 
40 0.215 6.90 
Solubilidade de oxigênio a diferentes temperaturas 
 
8. Temperatura 
 
 
2/1
12
21
2
1
.
.









T
T
aK
aK
TL
TL
T  solubilidade O2 , porém líquido  
Fonte: O’Connor e col. (1976) 
9. Concentração Celular 
Efeito da concentração de células 
de levedura sobre o valor de KLa 
Efeito da concentração micelial sobre 
KGa na fermentação penicilínica 
Fonte: Ju et al. (1991) e Ju & Sundararajan (1995) 
redução da permeabilidade do oxigênio 
devido à resistência decorrente do 
acúmulo de camadas de células 
próximas à superfície da bolha. 
Redução de KLa devido ao aumento da 
viscosidade, seja pela síntese de substâncias 
viscosificantes ou pelas características 
pseudoplásticas adquiridas pelo meio em 
função do aumento da concentração celular 
(e.g. fungos filamentosos) 
10. Efeito da tensão superficial sobre o KLa (oxigênio-água-Triton) 
Fonte: Albal et al. (1993). 
A redução na tensão superficial provoca diminuição da resistência ao 
cisalhamento das bolhas gasosas e, portanto, redução de seu diâmetro e 
aumento da área interfacial.