Variação de Escala em Processos Bioquímicos

Variação de escala Prof Larine Kupski Universidade Federal do Rio Grande Engenharia Bíoquímica Reatores Bioquímicos II Processos bioquímicos Condições econômicas adequadas bancada Produtividade Rendimento produto Ponto vista econômico Escala industrial Escala de bancada Escala piloto Escala industrial Scaleup ScaleDOWN Maioria dos processos Desenvolvimento natural produção Escala industrial está em operação e há necessidade de ajustes de alguns aspectos Variação de escala Escala de bancada Flexibilidade Menor custo de operação Levantamento dados básicos processo no maior nível possível Seleção microrganismo Desenvolvimento meio de cultura Condições operacionais pH T⁰C Velocidade de consumo de O2 dimensionar sistema transferência Elaboração de modelos matemáticos para simular condições não estudadas Desempenho adequado economicamente aumento escala Variação de escala Escala Piloto Mais cara que operação de bancada Manter constante grande parte possíveis variáveis pH temperatura meio forma de operação etc Definir critério de ampliação de escala Operase com o critério fixado objetivo é obter mesmo desempenho critério correto Desempenho insatisfatório Novo critério Realizar corridas alterando ligeiramente condições da grandeza fixada melhorar desempenho OBJETIVA ESPECIALMENTE O TESTE DO CRITÉRIO DE AMPLIAÇÃO DE ESCALA E NÃO ESTUDO DE INFLUENCIA DE FATORES Variação de escala Escala Industrial Visa lado econômico do processo Produção em alta escala Operar biorreator sob condições similares às ajustadas as escalas piloto Reatores intermediários não serão usados somente para o desenvolvimento inicial Préfermentadores para reator principal Estudos menor escala quando houver necessidade ensaiar novo microrganismo ou novo lote matéria prima Variação de escala Grande problema da variação da escala está exatamente em reproduzir na escala industrial condições ambientais responsáveis pelo bom desempenho do sistema obtidas nas de bancada e piloto Critérios de ampliação de escala Procedimento usual de uma ampliação de escala com base nos critérios de ampliação baseiase em mantendo a semelhança geométrica na escala maior selecionar o critério e a partir da daí encontrar as novas condições de operação na nova escala que supostamente reproduziriam as condições encontradas na escala menor Potência sistema não aerado por unidade de volume PV Coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio KLa Velocidade extremidade impelidor vimp Tempo de mistura tm Capacidade de bombeamento do impelidor FLV Número de Reynolds NRe Pressão parcial ou concentração de O2 dissolvido C Princípios básicos aumento escala reator tanque agitado 1Identificar as propriedades mais importantes para a operação do sistema 2As maiores diferenças entre reatores pequenos e grandes são o maior tempo de mistura tm e o maior cisalhamento representado por vimp 3Para reações químicas homogêneas devese usar como critério de ampliação a potência por unidade de volume PV 4Para sistemas bifásicos gáslíquido como os bioprocessos aeróbios deve empregar preferencialmente o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio kLa Em geral ele é relacionado com PV 5 Valores típicos da razão entre o diâmetro do impelidor e do tanque DiDT para biorreatores estão na faixa de 033 a 04 Utilizando grandes impelidores uma mistura adequada deve ser proporcionada por uma frequência de agitação N que não danifique as células Mantendose a semelhança geométrica e aplicandose os critérios de ampliação de escala obtémse relações englobando N e Di 1 escala de partida 2 nova escala Constância da potência por unidade de volume Tanques cilíndricos com chicanas agitados por impelidores tipo turbina de pás planas Regime de agitação laminar e de transição NRe104 Npf 1 𝑁Re Np número de potência PN3 Di 5 ρ adimensional Nre número de Reynolds NDi2ρµ adimensional P potência transmitida na agitação W N frequência de rotação rps ou s1 ρ densidade kg m3 µ viscosidade kg m1 s1 Di diâmetro do impelidor m P N3Di 5ρ α μ ρNDi 2 ρ e µ cte aumento escala P α N3Di5 NDi2 P α N2Di 3 Constância da potência por unidade de volume Tanques cilíndricos com chicanas agitados por impelidores tipo turbina de pás planas Regime de agitação turbulentoNre104 Npcte P N3Di 5ρ cte P α N3Di 5 Constância da potência por unidade de volume Tanques cilíndricos com chicanas agitados por impelidores tipo turbina de pás planas Vπ DT 2 4 HL V volume do tanque m3 DT diâmetro do tanque m HL altura da coluna de líquido m DT α Di HL α Di V α Di 3 Constância da potência por unidade de volume Tanques cilíndricos com chicanas agitados por impelidores tipo turbina de pás planas 𝑉 α Di 3 P α N2Di 3 P α N3Di 5 𝑃 𝑉 α N2 Regime laminar 𝑃 𝑉 α N3Di 2 Regime turbulento Aumento de escala P turbulento 𝑃 𝑉 1 𝑃 𝑉 2 N13Di1 2 N23 Di2 2 N2N1 Di1 Di2 23 Constância da potência por unidade de volume Constância da potência por unidade de volume Exemplo 01 Determinar a velocidade de agitação e a potencia da escala piloto com volume de 38 m3 O critério de ampliação de escala foi manter PV constante O processo atual consiste em um reator de 5 L potencia de 001 kW com agitação de 30 rpm Dados ρ 997 kgm3 µ 1002 x 103 kgms DTDi3 Regime turbulento Constância do coeficiente volumétrico de transferência de O2 KLa Critério ideal para processos com alta demanda de O2 KLa 𝛼 Pg VL α Vs β Aumento de escala 𝐾𝐿𝑎 1 𝐾𝐿𝑎 2 Pg VL 1 α Vs 1β Pg VL 2 α Vs 2β Relação entre consumo de potência para o sistema não aerado P e consumo de potência para sistema aerado Pg através NA ou conforme Mitchel Miller Constância do coeficiente volumétrico de transferência de O2 KLa Pg α P2NDi 3 Fg056 045 𝑉 α Di 3 P α N3Di 5 Regime turb Pg 𝑉 α P2NDi 3 Fg056 045 𝐷𝑖 3 Pg 𝑉 α P2NDi 3 Fg056Di 667 045 P α N3Di 5 Pg 𝑉 α N3Di 52NDi 3 Fg056Di 667 045 Pg 𝑉 α 𝑁7Di 633 Fg056 045 Pg 𝑉 α 𝑁315Di 285 Fg025 Constância do coeficiente volumétrico de transferência de O2 KLa Vs 𝐹𝑔 𝑆 𝑆 𝜋𝐷𝑇 2 4 Vs 4 𝐹𝑔 𝜋𝐷𝑇 2 DT α Di Vs 𝛼 𝐹𝑔 𝐷𝑖 2 Pg VL 1 α Vs 1β Pg VL 2 α Vs 2β Pg 𝑉 α 𝑁315Di 285 Fg025 Vs 𝛼 𝐹𝑔 𝐷𝑖 2 Constância do coeficiente volumétrico de transferência de O2 KLa 𝑁315Di 285 Fg025 1 α 𝐹𝑔 𝐷𝑖 2 1 β 𝑁315Di 285 Fg025 2 α 𝐹𝑔 𝐷𝑖 2 2 β 𝑁2 𝑁1 𝐷𝑖2 𝐷𝑖1 2𝛽285𝛼 315 𝛼 𝐹𝑔2 𝐹𝑔1 025 𝛼𝛽 315 𝛼 Fg1Fg2 obtida de critérios de ampliação de escala para a aeração α e β tamanho do tanque e tipo de caldo Obter correlações Kla com dimensões mais do tanque e com variáveis do processo como as constantes α e β para ter maior segurança na ampliação de escala Constância de velocidade na extremidade do impelidor vimp Determina a velocidade de cisalhamento máxima que tem forte influencia no diâmetro médio de bolhas no tamanho no aglomerados celulares e principalmente na viabilidade celular 250500 cms2 vimpπDiN vimp 𝛼 DiN Aumento de escala 𝑣𝑖𝑚𝑝 1 𝑣𝑖𝑚𝑝 2 𝑁1𝐷1 𝑁2𝐷2 𝑁2 𝑁1 𝐷𝑖1 𝐷𝑖2 Constância no tempo de mistura tm Fermentadores 500 L mistura praticamente instantânea Fermentadores 500 L mistura deficiente perfis O2 ao longo da altura do tanque Período de tempo necessário para completa homogeneização de um fluido agitado quando é adicionada uma pequena quantidade de um fluido distinto Medida do grau de mistura ou turbulência em um vaso agitado Relação fator tempo de mistura Φ com o NRe para sistemas agitados com um impelidor tipo turbina padrão de pás planas Φ 𝑡𝑚 𝑁𝐷𝑖 2 23𝑔16𝐷𝑖 12 𝐻𝐿 12𝐷𝑇 32 Φ fator de mistura adimensional tm tempo de mistura s N frequência de agitação rps Di diâmetro do impelidor m g aceleração da gravidade ms2 HL altura da coluna de fluido m DT diâmetro do tanque Constância no tempo de mistura tm NRe 105 Φ 42 NRe 105 HL e DT α Di 𝑡𝑚α 𝐷𝑖 16 𝑁23 𝑡𝑚α 𝐷𝑖 𝑁4 16 Aumento de escala 𝑡𝑚 1 𝑡𝑚 2 N2N1 Di2 Di1 14 𝐷𝑖1 𝑁1 4 16 𝐷𝑖2 𝑁2 4 16 Constância da capacidade de bombeamento do impelidor FLV No interior de um tanque agitado onde existe um bom grau de mistura existe também um tempo de circulação característico tc Relacão entre vazão de circulação do fluido no interior do tanque FL e o volume de líquido V expressa esse tempo de circulação tc1FL 𝐹𝐿 𝛼 𝑁𝐷𝑖 3 𝑉 α Di 3 𝐹𝐿 𝑉 α 𝑁𝐷𝑖 3 𝐷 𝑖3 𝐹𝐿 𝑉 α N Aumento de escala 𝐹𝐿 𝑉 1 𝐹𝐿 𝑉 2 𝑁1 𝑁2 Constância do número de Reynolds NRe 𝑁𝑅𝑒 𝛼 𝑁𝐷𝑖 2 ρ e µ 𝑐𝑡𝑒 Aumento de escala 𝑁𝑅𝑒 1 𝑁𝑅𝑒 2 𝑁𝑅𝑒 ρ 𝑁𝐷𝑖 2 µ N2N1 Di1 Di2 2 𝑁1𝐷𝑖1 2 𝑁2𝐷𝑖2 2 Relações entre N e Di Expressam somente condições de agitação Sem informações condições de aeração nova escala Variação de escala Exemplo 02 Considere a ampliação da escala de um biorreator de 10 litros para 10000 litros A escala de bancada possui uma razão de altura para diâmetro do tanque de 3 O diâmetro do impelidor é 30 o diâmetro do tanque O tanque é agitado numa velocidade de 500 rpm e três impelidores do tipo Rushton são utilizados Determine as dimensões do biorreator da escala maior e a velocidade de agitação a Potência por unidade de volume constante b Velocidade na extremidade do impelidor constante c Número de Reynolds constante Critérios ou regras de aeração Número de aeração NA constante Velocidade superficial do ar VS constante Vazão específica de ar ϕar constante Número de aeração NA constante 𝑁𝐴 𝐹𝑔 𝑁𝐷𝑖 3 𝐹𝑔1 𝑁1𝐷𝑖1 3 𝐹𝑔2 𝑁2𝐷𝑖2 3 Aumento de escala 𝑁𝐴 1 𝑁𝐴 2 Fg2Fg1 Di2 Di1 3 𝑁2 𝑁1 Velocidade superficial do ar VS constante 𝑉𝑆 4𝐹𝑔 𝜋𝐷𝑇 2 𝐹𝑔1 𝐷𝑖1 2 𝐹𝑔2 𝐷𝑖2 2 Aumento de escala 𝑉𝑆 1 𝑉𝑆 2 Fg2Fg1 Di2 Di1 2 𝑉𝑆 𝛼 𝐹𝑔 𝐷𝑖 2 DT α 𝐷𝑖 Vazão específica de ar ϕar constante 𝜙𝑎𝑟 𝑣𝑣𝑚 𝑉𝑎𝑟 𝑉𝑚𝑒𝑖𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝐹𝑔 𝑉 𝐹𝑔1 𝐷𝑖1 3 𝐹𝑔2 𝐷𝑖2 3 Aumento de escala 𝜙𝑎𝑟 1 𝜙𝑎𝑟 2 Fg2Fg1 Di2 Di1 3 𝜙𝑎𝑟 𝛼 𝐹𝑔 𝐷𝑖 3 𝑉 α Di 3 Exemplo 03 Determina as novas condições de agitação numa ampliação de escala de 10 a 5000 L de um bioprocesso aeróbio de produção de uma determinada enzima para os diferentes critérios de ampliação escolhidos As condições de agitação e aeração na escala de bancada foram respectivamente 700 rpm e 03 vvm sendo que durante a ampliação foi eleito como critério de aeração a vazão específica de ar constante DTDi3 HLDI3 aPV constante b KLa constante α e β05 c Velocidade do impelidor constante d Tempo de mistura constante e Capacidade de bombeamento constante f Número de Reynolds constante Comparação entre critérios de ampliação de escala Redução de escala Principal objetivo Fazer testes para introduzir melhorias no processo sem operar a escala industrial Nova linhagem do microrganismo Novos lotes de matéria prima Avaliação do procedimento de esterilização do meio