Agitação e Aeração em Reatores Bioquímicos: Transferência de Massa e Solubilidade do Oxigênio

Agitação e aeração Prof Larine Kupski Universidade Federal do Rio Grande FURG Engenharia Bioquímica Reatores Bioquímicos II RELEMBRANDO TRANSFERÊNCIA DE MASSA Variação da concentração Importância bioprocessos Transferência de massa SL LL GL TRANSFERÊNCIA DE MASSA GL TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO Suprir O2 em fermentadores para cultivo aeróbio Através da aeração e agitação CORRETO DIMENSIONAMENTO TRANSFERÊNCIA SOLUBILIDADE DO OXIGÊNIO Temperatura Aumenta O2 cai Sais Aumenta O2 cai Pressão parcial Aumenta O2 sobe Fatores que afetam O2 dissolvido MAIS ADEQUADA Enriquecimento do ar com O2 Formados durante processo Processos mesófilos LEI DE HENRY Concentração oxigênio dissolvido no equilíbrio saturação é proporcional à pressão parcial de O2 no gás 1 Cs concentração de oxigênio na saturação gO2m3 H constante de Henry gO2m3atm pg pressão parcial de O2 na fase gasosa atm pgXO2P xO2 fração molar ou volumétrica de O2 no gás Ppressão total do gás atm SISTEMA DE AGITAÇÃO E AERAÇÃO Objetivo Fornecer oxigênio para manutenção da atividade respiratória do microorganismo Figura 2 Resistências associadas à dissolução e ao consumo do oxigênio Fonte Schmidell et al 2001 TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO Figura 2 Resistências associadas à dissolução e ao consumo do oxigênio Fonte Schmidell et al 2001 1Transferência de massa da bolha para interface gáslíquido 2 Transporte através da interface gáslíquido 3Difusão através do filme estagnado ao redor bolha 1 Intensa movimentação 2 Subst aderem superfície Desconsiderar DOMINANTE EQUACIONAMENTO TRANSFERÊNCIA Pgpressão parcial de oxigênio interior bolha Pipressão parcial oxigênio na interface Ciconcentração de oxigênio na interface Cconcentração de oxigênio no líquido Interface duas fases Mais concentrada para menos Depende dos coeficientes transferência kgcoeficiente de transferência película gasosa kLcoeficiente de transferência película líquida EQUACIONAMENTO TRANSFERÊNCIA Estado estacionário e perfil linear O2 no interior película nO2fluxo de oxigênio por unidade área interfacial gO2m2h kgcoeficiência de transferência de massa da película gasosa mh kL coeficiência de transferência de massa da película líquida mh pgpressão parcial de oxigênio interior bolha atm pipressão parcial oxigênio na interface atm pLpressão parcial oxigênio em um gás que estaria em equilibrio com O2 líquido segundo lei de Henry atm H constante de Henry gO2m3atm Cs concentração de oxigênio na saturação eq com pg gO2m3 Ci concentração de oxigênio dissolvido em eq com pi gO2m3 C concentração de oxigênio no meio líquido gO2m3 EQUACIONAMENTO TRANSFERÊNCIA Transferência global O2 função coeficiente global transferência de massa soma resistências Resistência filme gasoso pode ser desprezada considerase pgpi e CsCi Fluxo por área de troca de massa kL coeficiência global de transferência de oxigênio mh Difícil medição área EQUACIONAMENTO TRANSFERÊNCIA Área específica para transferência O2 nO2a velocidade de transferência de oxigênio gO2m3h kLa coeficiente volumétrico de transferência de O2 h1 𝑛𝑂2𝑎 Coeficiente volumétrico de Transferência de O2 KLa KLa é utilizado para medir a capacidade de aeração de um biorreator Será a capacidade de aeração do sistema o valor do kLa EQUACIONAMENTO TRANSFERÊNCIA Velocidade de transferência kL a Força motriz CsC Bolhas Agitação Aeração Antiespumante Temperatura Pressão Presença de células Afetam o kL por reduzir a resistência para a transferência de O2 Afetam a por mudar o número tamanho e o tempo de residência das bolhas de ar Respiração microbiana Consumo de oxigênio pela célula 5 Película liquida em torno célula 6 Membrana celular 7 Difusão O2 citoplasma 8 Velocidade da reação de consumo O2 Dominante velocidade de reação de consumo de O2 QO2 1 X dO2 dt QO2 velocidade específica de respiração g O2 g cel h X concentração celular gcelm3 dO2dt velocidade de consumo de O2 g O2 m3 h microrganismo meio Condições fermentação Relação QO2 com O2d C Respiração microbiana Se o KLa do fermentador é tal que a demanda de oxigênio do organismo não pode ser atendida a concentração de oxigênio dissolvido diminuirá abaixo do nível crítico QO2QO2 max C KOC QO2max máximo valor de QO2 gO2gcel h KO constante de saturação para o O2 gO2m3 Acima de Ccrit o valor de QO2 é constante e máximo Relação QO2 com crescimento microbiano Respiração microbiana Células que estão crescendo em altas velocidades tem de apresentar elevadas velocidades de consumo da fonte de carbono assim como elevadas velocidades de respiração QO2 mO 1 YO µ mO fator de manutenção para o O2 gO2gcel h µ velocidade especifica de crescimento h1 YO fator de conversão de O2 para células gcelgO2 Velocidade especifica de respiração para µ0 Manter células viáveis Transferência de O2 gasosa liquida Consumo O2 dissolvido Transferência e consumo de O2 Simultaneamente dC dt quantidade O2 consegue dissolver quantidade O2 consumido dC dt 𝑘𝐿𝑎 𝐶𝑆 𝐶 𝑄𝑂2𝑋 Estado estacionário Transferência e consumo de O2 dC dt 𝑘𝐿𝑎 𝐶𝑆 𝐶 𝑄𝑂2𝑋 0 𝑘𝐿𝑎 𝐶𝑆 𝐶 𝑄𝑂2𝑋 Relações importantes para biorreatores Concentração máxima de células que sistema transf O2 pode fornecer Transferência e consumo de O2 𝑘𝐿𝑎 𝐶𝑆 𝐶 𝑄𝑂2𝑋 Máximo transf O2 nO2a CSC é máxima C0 Xmáx kLaCS QO2 Mínimo kLa requerido para manter CCcrit Transferência e consumo de O2 𝑘𝐿𝑎 𝐶𝑆 𝐶 𝑄𝑂2𝑋 C Ccrit kLa crit 𝑄𝑂2𝑋 𝐶𝑆 𝐶𝑐𝑟𝑖𝑡 Aeração e Agitação Exemplo 01 Uma linhagem de Azotobacter é cultivada em um biorreator agitado de 15 m³ para produção de alginato Nestas condições operacionais o KLa é 017 s1 Solubilidade do oxigênio no meio de fermentação é 80 x 103 kg m3 A velocidade específica de consumo de O2 é 125 mmol O2 g1 h1 Qual é a concentração máxima de células possível Aeração e Agitação Exemplo 02 Uma bactéria possui uma taxa específica máxima de oxigênio em processo batelada de 5 mmol O2 g1 h1 O cultivo desta bactéria ocorre em biorreator com agitação com uma concentração inicial de células de 40 g l1 kLa sob estas condições é de 015 s1 Nas condições operacionais de temperatura e pressão a solubilidade de oxigênio no meio de cultura é 80 x 103 kg m3 A taxa de metabolismo celular é limitada pela transferência de O2 ou depende apenas da cinética metabólica Aeração e Agitação Exemplo 03 Uma levedura geneticamente modificada é cultivada em um biorreator a 30C para produção de uma proteína heteróloga O oxigênio requerido é de 80 mmol O2 L1 h1 a concentração crítica de oxigênio é 0004 mmol L1 A solubilidade de oxigênio no meio de cultura é de 10 menor que na água devido aos efeitos dos solutos a Qual é o mínimo coeficiente de transferência de massa necessário se o biorreator está sendo alimentado com ar a 1atm de pressão Dado Solubilidade oxigênio água 805 x 103 kg m3 a Qual é o coeficiente de transferência de massa requerido se oxigênio puro é usado ao invés de ar Dado Solubilidade oxigênio água 384 x 102 kg m3