Apostila de Transferência de Oxigênio

Apostila de Transferência de Oxigênio

(Parte 3 de 4)

Penicillium chrysogenum 24

Fonte: Adaptado de Badino (1997).

Através da análise da Tabela 2.3.1, pode-se verificar que uma população ativa de microrganismos, pode consumir todo o oxigênio de um meio originalmente saturado pelo ar em 100 segundos. Estes valores podem ser ainda menores, se a concentração crítica de oxigênio dissolvido for maior, como no caso de microrganismos que apresentam o crescimento em pellets. Supondo uma concentração crítica de 2,5mgO2.L-1 , aproximadamente 30% da saturação, esse tempo diminuiria para 3 a 4 segundos. Rossi (2006) destaca que esta alta velocidade de consumo de oxigênio deve ser igualada por uma velocidade de suprimento se o objetivo é manter a produtividade constante.

A velocidade de respiração para um microrganismo qualquer, pode ser escrita através da equação X.

CK CQQ 0 máx

=(eq. 2)

Onde:

QO2 máx: velocidade específica máxima de respiração;

K0: constante de saturação para o oxigênio. A concentração crítica de oxigênio dissolvido pode ser obtida através da Figura

Figura 5: Determinação da concentração crítica de oxigênio dissolvido. (a) Ocorrência da limitação de oxigênio dissolvido durante a execução do método dinâmico (b) Efeito da concentração de oxigênio dissolvido na velocidade específica de respiração de um microrganismo.

A figura X ilustra a variação de QO2 com a concentração de oxigênio dissolvido (C), de acordo com a equação X (acima). Observa-se que a partir de uma dada concentração de oxigênio dissolvido (C), tem-se a velocidade específica de respiração constante e máxima igual a QO2 max . Essa concentração de oxigênio dissolvido é definida como concentração crítica (Ccrit). Logo, se for desejado manter a máxima velocidade de respiração durante um determinado cultivo, deve-se monitorar as condições de agitação e aeração, a fim de manter a concentração de oxigênio dissolvido acima do valor crítico (Badino, 1997). Crueger e Crueger (1993) citam que a concentração de oxigênio dissolvido crítica (Ccrit) situa-se na faixa entre 5 e 25% da concentração de saturação, sendo este valor dependente da forma de crescimento celular e da natureza do caldo de fermentação (viscoso ou não viscoso). A Tabela 9 apresenta valores da concentração crítica de oxigênio dissolvido para alguns microrganismos.

Equação de Pirtt, destaca o coeficiente de manutenção para µ=0, sendo:

µO 2O Y

Onde: mo: coeficiente de manutenção para o O2 (gO2/gcel.h);

Yo: fator de conversão de O2 para células (gcel/gO2); µ: velocidade específica de crescimento (h-1);

X: concentração celular (gcel.L-1) 1.8 Análise conjunta da transferência de oxigênio

XQ)C(ak dt consumidootransferid.concVariaçãoda −= XQ)C(ak2OcriticoSL=− (eq. 25)

)C( XQak

criticoS

Aula 4

1.9 Fatores que Afetam Valores de kLa Existem fatores que afetam a transferência de oxigênio em biorreatores. Dentre eles, podem-se citar a aeração empregada, traduzida em termos de velocidade superficial de gás; freqüência de agitação, propriedades reológicas do meio de cultivo sendo dependente da morfologia de crescimento do microrganismo, presença de antiespumantes (Stanbury et al., 1995).

Osbek e Gayik (2001) realizaram um estudo da transferência de oxigênio em bioreator na ausência de microrganismos. Avaliaram a velocidade de agitação, vazão de ar, adição de glicerol e suporte inerte em água destilada e obtiveram correlações de valores de kLa utilizando a seguinte relação para a determinação do valor experimental do kLa:

=(eq. 27)

Onde: A: constante; P: potência requerida pela agitação mecânica (W);

VL: volume de líquido (m3); VS: velocidade superficial do gás (m/s).

Devido a dificuldade para determinação do valor do consumo de potência requerido na agitação, os autores substituíram o termo relativo à potência dividido pelo volume de líquido (P/VL) pela relação entre a velocidade de agitação e o diâmetro do impelidor (N3.D2). A equação B1, com estas modificações, torna-se equação B2.

=(eq. 28)

SL VANDaK 2,1

Onde: D: diâmetro do impelidor (m)

N: Velocidade de agitação; A: contante; α e β: expoentes.

Esta consideração é relatada por alguns autores como sendo o termo relativo ao consumo de potência requerido pela agitação. 1.10 Determinação do kLa sob Aeração em Profundidade

A Tabela 3 apresenta os resultados do kLa para diferentes valores de freqüência de agitação e vazão superficial de aeração (Vs) com intuito de caracterizar a hidrodinâmica do biorreator Bioflo I. Estes resultados foram obtidos no meio de cultivo sob ausência de biomassa.

Tabela 3: Valores de kLa sob aeração em profundidade para diferentes freqüências de agitação e vazão superficial de aeração.

Através da análise da Tabela 3e da Figura 6 pode-se verificar os resultados referentes ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio para as diferentes freqüências de rotação e velocidade superficial de aeração.

k L

Figura 6: Comportamento do kLa em para diferentes freqüências de agitação e vazão específica de aeração.

Através da Figura 6 pode-se verificar a dependência do kLa com a vazão específica de aeração. Como esperado, maiores freqüências de agitação e vazão específica de aeração proporcionaram maiores valores de kLa. Através dos resultados experimentais verifica-se a importância das duas variáveis de acordo com a geometria do biorreator utilizada. Estes resultados são importantes para termos os valores máximos e mínimos de kLa para cada ensaio realizado, demonstrando a dependência de cada variável no comportamento do kLa. A Figura 6 apresenta os resultados referentes a obtenção da relação de proporcionalidade entre o kLa em função da freqüência de agitação e aeração superficial de aeração através do software Statistic 6.0 pela estimativa não linear dos parâmetros (Alfa e beta).

1.1 Determinação do kLa sob Aeração Superficial

A Tabela4 apresenta os resultados obtidos para os valores de kLa para diferentes valores de freqüência de agitação e vazão de aeração superficial com intuito de caracterizar a hidrodinâmica do biorreator Bioflo I, onde, através destes valores, pode-se verificar a interferência da transferência de oxigênio durante a determinação do QO2X.

Tabela 4: Valores de kLa sob aeração superficial para diferentes freqüências de agitação e vazão de aeração.

Os autores buscaram verificar a relação existente entre o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) com o termo que substitui o consumo de potência requerido na agitação pela relação entre velocidade de agitação e diâmetro do impelidor.

Garcia-Ochoa et al. (2000) avaliaram a transferência de oxigênio durante a produção de goma xantana por Xanthomonas compestris. Os autores estabeleceram correlações do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio com a velocidade superficial (VS), agitação (N) ou potência de agitação por volume de líquido (P/V) e a viscosidade (µ) determinada pelo modelo da Lei da Potência, obtendo-se as seguintes correlações: 5,0

Falar sobre a coalescência que pode ocorrer devido ao aumento da viscosidade, diminuindo a área de transferência e ao mesmo tempo está “sujando” a superfície da camada limite do líquido. Geralmente caldos de fermentação possuem comportamento não-Newtoniano do tipo pseudoplástico, n<1.

2 PRINCIPAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BADINO JR, A. C. Reologia, consumo de potência e transferência de oxigênio em cultivos descontínuos de Aspergillus awamori NRRL 3112. Tese de doutorado em Engenharia Química. Universidade de São Paulo - USP, São Paulo. 1997.

BLANCH, H. W.; CLARK, D. S. Biochemical Engineering. Ed. Marcel Dekker, Inc. New York. p.702. 1997.

KÄPPELI, O.; FIECHTER, A. A convenient method for the determination of oxigen solubility in different solutions. Biotechnology and Bioengineering. v.23, p.1897- 1901. 1981.

OSBEK, B.; GAYIK, S. The studies on the oxygen mass transfer coefficient in a bioreactor. Process Biochemistry. v.36, p.729-741. 2001.

SCHMIDELL, W; Transferência de oxigênio em biorreatores. In: SCHMIDELL, W.;

BORZANI, W; LIMA, U. A; AQUARONE, E. Biotecnologia industrial: volume 2. São Paulo: Edgard Blücher, 2001. 541p.

Exercícios Resolvidos em Aula

Exercício 1: Uma cervejaria estava com dificuldades na propagação das leveduras, pois a quantidade de oxigênio que estava sendo transferida não estava satisfazendo a demanda do processo. A aeração do sistema foi realizada mediante aeração a partir de um tubo com diâmetro de 50mm e o biorreator utilizado foi um sistema de coluna de bolhas. Qual seria a solução para o problema desta empresa com respeito ao oxigênio no biorreator da cervejaria?

=== pipi pipi

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