Agitação e aeração
Operações que visam transferir oxigênio para um meio
líquido continuamente, de forma a garantir o seu
suprimento para células que realizam uma fermentação
aeróbia (o que corresponde à maioria dos casos).
Para todos os processos aeróbios é necessário o
dimensionamento adequado do sistema de transferência
de oxigênio, ou seja:
Oxigênio na
fase gasosa
Oxigênio na
fase líquida
Dissolução
• Fontes de carbono podem ser solubilizadas em
concentrações da ordem de centenas de gramas por
litro de solução e, os demais nutrientes, cerca de
dezenas de gramas por litro
• O oxigênio só pode ser solubilizado em quantidades da
ordem de 0,007 grama por litro, nas temperaturas
típicas de realização dos processos fermentativos
Considerando a reação de oxidação da glicose:
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O
Qual seria a massa de oxigênio necessária para a oxidação
completa de 90 g desta fonte de carbono?
mO2 = 96 g
16
30 oC => ≈ 7,4 mgO2/L
14
C (mgO2 / L)
12
10
8
6
4
2
0
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
o
Temperatura ( C)
Solubilidade do oxigênio em água em
função da temperatura.
• Além do aspecto quantitativo, a cinética de consumo é de
grande importância, sobretudo levando em conta as altas
concentrações celulares que podem ser atingidas durante o
processo.
• Neste caso, é de grande relevância o conhecimento da
velocidade de respiração do microrganismo, o que implica
maior ou menor velocidade de transferência de oxigênio
para o meio, o que, por sua vez, reflete no
dimensionamento do sistema de agitação e aeração do
meio.
Todas essas considerações caracterizam a necessidade de
se entender as bases fundamentais da transferência de
oxigênio em meios líquidos.
• Considerando o processos realizados em estado sólido
(FES) a solubilização do oxigênio é igualmente necessária,
embora apresente características distintas da
solubilização em meio líquido.
• Neste caso, as operações de agitação e aeração, além do
fornecimento de oxigênio para o microrganismo,
assumem um papel destacado no tocante à
homogeneização do meio e à dissipação do calor
produzido em decorrência das reações metabólicas.
• Devido à grande limitação de água nos meios em que se
realizam as FES, para a grande maioria destes processos
empregam-se fungos filamentosos, os quais apresentam
baixíssima exigência em atividade de água no meio,
comparados às bactérias e leveduras. Desta forma, a
grande maioria dos processos de FES são aerados.
Sistemas de transferência de oxigênio
Algumas considerações
• (1) e (2) – chamados reatores de aeração superficial; os
demais, reatores de aeração em profundidade
(borbulhamento de ar)
• (3) e (4) – aeração apenas por borbulhamento de ar;
- adequados para o cultivo de células sensíveis ao
cisalhamento;
- costumam ser construídos com altura bastante superior
ao diâmetro, para permitir maior tempo de residência
do ar em contato com o líquido
• (5) e (6) – reatores agitados e aerados;
- (5) ainda é o mais frequente na indústria (93% das
aplicações);
- (6) é o que causa maior cisalhamento das células
Concentrações de oxigênio dissolvido em
soluções saturadas
Algumas considerações
• Visando aumentar a concentração de saturação:
- Trabalhar com temperaturas mais baixas (inviável)
- Empregar pressões parciais mais elevadas (viável,
porém deve-se ter cautela, pois oxigênio pode ser
tóxico para as células)
• Espécies químicas dissolvidas no líquido diminuem a
concentração de saturação e o meio de fermentação
apresenta muitas substâncias dissolvidas;
além disso, a composição do meio muda
constantemente, em virtude do consumo de substrato
e nutrientes e da liberação de produto e metabólitos
• Para o caso de soluções diluídas, pode-se
aplicar a Lei de Henry (a concentração de
oxigênio na saturação é proporcional à
pressão parcial do oxigênio no gás)
CS = H . pg
Transferência de oxigênio e respiração
1.
2.
3.
4.
5.
Resistência devido à película estagnada de gás
Resistência devido à interface gás-líquido
Resistência devido à película estagnada de líquido
Resistência devido à difusão no líquido
Resistência devido à película de líquido em torno
da célula
6. Resistência da membrana celular
7. Resistência devido à difusão no citoplasma
8. Resistência relacionada à velocidade das reações
de consumo do oxigênio
• Com relação ao fornecimento, a resistência
relevante é a associada à película estagnada de
líquido em torno da bolha de ar
• Com relação ao consumo, a resistência mais
significativa é a velocidade da reação de
respiração
• Portanto, um sistema adequado de transferência
de oxigênio é o que permite uma eficiente
dissolução do oxigênio no meio líquido
Transferência de oxigênio para o meio líquido
A teoria de maior utilidade para o equacionamento da
transferência de oxigênio é a que considera a existência
de duas películas estagnadas
Considerando que a difusão do oxigênio depende do
gradiente de pressão ou concentração associados às
películas, define-se nO2 como o fluxo de oxigênio por
unidade de área interfacial (gO2/m2.h), o qual é dado por:
nO2 = kg.H(pg – pi) = kL.H(pi – p1) = kg(CS – Ci) = kL (Ci – C)
nO2 = kg.H(pg – pi) = kL.H(pi – p1) = kg(CS – Ci) = kL (Ci – C)
Onde:
kL é o coeficiente de transferência de massa da película líquida (m/h)
kg é o coeficiente de transferência de massa da película gasosa (m/h)
H é a constante de Henry (gO2/m3. atm)
pi é a pressão parcial de O2 na interface (atm)
pg é a pressão parcial de O2 no seio gasoso (atm)
p1 é a pressão parcial de O2 em um gás em equilíbrio com a
concentração de oxigênio C no líquido, segundo a lei de Henry (atm)
Ci é a concentração de OD em equilíbrio com pi (gO2/m3)
C é a concentração de oxigênio no seio do líquido (gO2/m3)
Simplificação: desconsiderar a resistência da película gasosa, o
que significa fazer pi = pg
Assim, Ci = CS e
nO2 = kL.H (pg – p1) = kL (CS – C)
Tendo em vista a dificuldade de quantificação da área
interfacial de troca de oxigênio, define-se:
a =
área interfacial de troca de massa (m2)
volume total de líquido (m3)
Podendo-se, então, escrever:
nO2 a = kLa .H (pg – p1) = kLa (CS – C)
onde:
nO2a = velocidade de transferência de oxigênio (gO2/m3.h)
kLa = Coeficiente volumétrico de transferência de O2 (h-1)
Caso não se esteja em estado estacionário em termos
de fluxo de O2, nO2a pode ser escrito como sendo a
variação da concentração de oxigênio dissolvido (C) em
função do tempo:
dC/dt = kLa (CS – C)
Esta equação permite a exata compreensão de todas as
formas de que se dispõe para o controle da
concentração de oxigênio dissolvido em um meio.
Avaliar: aumento da pressão parcial de O2 no gás de entrada
aumento da pressão na cabeça do fermentador
aumento da frequência de agitação
aumento da vazão de ar
condição de transferência máxima
CS = H . pg
C = H . p1
Ci = H . pi