Aeração

Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola de Química EQB – 475 Tecnologia Tecnologia de Bioproces Bioprocessos sos Industriai Industriais s

 Aeração em Bioprocessos Prof Mariana Mello [email protected]

Aeração em Bioprocessos 1) Importância da Aeração 1.1) Classes de organismos, em relação à tensão de oxigênio

1

2

3

4

5 5

Aerotolerante

1

Aeróbio estrito

3

Aeróbio facultativo

2

Anaeróbio

4

Microaerófilo

Aeração em Bioprocessos 1) Importância da Aeração 1.1) Classes de organismos, em relação à tensão de oxigênio

1

2

3

4

5 5

Aerotolerante

1

Aeróbio estrito

3

Aeróbio facultativo

2

Anaeróbio

4

Microaerófilo

Aeração em Bioprocessos 1) Importância da Aeração 1.2) Aplicações dos processos em aerobiose Exemplos

Produção de ácido cítrico Produção de ácido acético Produção de lêvedo de panificação Produção de antibióticos Produção de vacinas Produção de vitaminas Produção de enzimas Processos com microrganismos recombinantes Tratamento Tratamento de efluentes

Aeração em Bioprocessos 1) Importância da Aeração 1.3) Bioquímica 6 O2 Y C6H12O6 + X 6 CO2 + Z 6 H2O

crescimento consumo de carbono consumo de oxigênio

Aeração em Bioprocessos 1) Importância da Aeração 1.4) Baixa solubilidade do oxigênio 

Necessidade de constante oferta de oxigênio



Possiblitar o uso de todos os nutrientes



Solubilidade: 7 mg/L a 1 atm e 35 °C

Aeração em Bioprocessos Solubilidade do oxigênio em água pura a 1 atm de pressão de oxigênio

Temperatura ( oC) 0 10 15 20

Solubilidade de O2 (mmol/L) 2,18 1,70 1,54 1,38

Temperatura ( oC) 25 30 35 40

Solubilidade de O2 (mmol/L) 1,26 1,16 1,09 1,03 o

Solubilidade do oxigênio em diferentes soluções aquosas a 25 C a 1 atm de pressão de oxigênio

Componente Glicose

Concentração (g/L) Solubilidade de O 2 (mmol/L) 20 1,233 50 1,194 90 1,133 180 0,990  Ácido cítrico 25 1,242 100 1,137 200 0,983  Ácido glucônico 25 1,210 100 1,121 Fundamentos da Engenharia Bioquímica 200 0,991 Escola de Química/UFRJ Extrato de lêvedo 5 1,255 10 1 228

Aeração em Bioprocessos 3) Sistemas para a transferência de oxigênio Tanque agitado e aerado bandejas

Maior transferência de massa células imobilizadas “air-lift”

Aeração superficial

Borbulhamento Menor cisalhamento coluna de bolhas

Aeração em Bioprocessos 4) Transferência de Oxigênio e Respiração Microbiana 



Demanda 

Problema de ordem fisiológica;



Função das necessidades metabólicas da célula;



Proporcional à concentração de biomassa ativa;

Suprimento 

Problema de ordem física;



Função da geometria do biorreator; capacidade dos compressores de ar; sistemas de agitação e distribuição de ar; propriedades físico-químicas do meio; temperatura.

Aeração em Bioprocessos 4) Transferência de Oxigênio e Respiração Microbiana Percurso da molécula de oxigênio Desprezível devido à intensa movimentação do O2

Desprezível devido à grande área superficial

Simples difusão

Principal resistência

Fundamentos da Engenharia Bioquímica Escola de Química/UFRJ

Desprezível com agitação Influência da viscosidade

Aeração em Bioprocessos 5) Teoria das duas películas ou Teoria de Whitman

Pg: pressão parcial de O 2 na fase gasosa; Pi: pressão parcial de O 2 na interface gás-líquido; Ci: concentração de O 2 dissolvido na interface G-L, em equilíbrio com Pi; CL: concentração de O 2 dissolvido no seio do líquido; Suposições: 1) Escoamento laminar ao longo da interface gás-líquido; 2) Fluxo de matéria constante nos três estágios (estado estacionário); 3) Equilíbrio instantâneo entre a pressão parcial do gás e sua Fundamentos da Engenharia Bioquímica concentração no líquido, quando o gás entra em contato com o líquido; Escola de Química/UFRJ Gás (soluto) e líquido (solvente) comportando-se como ideais;

Aeração em Bioprocessos nO2: fluxo de oxigênio por unidade de área interfacial de troca (gO 2/(m2.h))

kL: coeficiente de transferência de oxigênio na fase líquida; kG: coeficiente de transferência de oxigênio na fase gás H: constante de Henry Fluxo de matéria constante (estado estacionário); Como determinar Ci? Ci = H.pi Equilíbrio instantâneo entre a pressão parcial do gás e sua concentração no líquido, quando o gás entra em contato com o líquido

(Cs)

Como determinar pi? (pL)

pi = pg

Resistência desprezível na película gasosa

Aeração em Bioprocessos 5) Teoria das duas películas ou Teoria de Whitman

nO2: fluxo de oxigênio por unidade de área interfacial de troca (gO 2/(m2.h)) Como medir?

a = área interfacial de troca (m 2)/volume total de líquido (m 3)

Coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (h -1)

Aeração em Bioprocessos 5) Teoria das duas películas ou Teoria de Whitman

n O2

 k L   CS  C L   k G   p G  p L 

n O2  a 

dCL dt

 k L a   C S  C L   k Ga   p G  p L 

nO2. a : velocidade de transferência de oxigênio (gO 2/(m3.h)); kLa : coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio na fase líquida (h-1); CS: concentração de saturação de O 2 no líquido (gO 2/m3); CL: concentração de O 2 dissolvido no seio do líquido (gO 2/m3); k La

define o nível de oxigenação do sistema

Aeração em Bioprocessos 5) Teoria das duas películas ou Teoria de Whitman

Valores típicos de dC L /dt e kLa:

Frascos de Erlenmeyer Biorreator (escala de laboratório) Biorreator Industrial

dCL /dt (mmoles/(L.h))

kLa (h-1)

30 – 60 60 – 120 70 – 100

200 – 400 60 – 500 100 – 400

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.1) Influência da altura da coluna líquida sobre o

kLa

Eckenfelder   et al.:

k La   NSC



B*(Q/V)*h 2 / 3 d B * NSC 0,5

 *D 1/ 3

 6 *  *d o  d B    g * ( )     L g  

B = constante Q = vazão volumétrica de ar  V = volume de meio h = altura da coluna líquida dB = diâmetro da bolha  = viscosidade do meio do = diâmetro do orifício do dispensor   = tensão superficial L= densidade do meio g= densidade do gás D = difusividade do G no L

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.2) Influência das propriedades físicas do meio sobre o

* Influência da concentração de células

k La

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.3) Influência da velocidade superficial do ar sobre o

Cooper et al.: k L a  (vS ) 0,67 H /T 1

k La

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.4) Influência dos tipos e sistemas de agitação sobre o

Tipo hélice ou propulsor (“Marine propeller”)

Disco com pás planas (“flat-blade turbine”)

k La

Disco com pás inclinadas (“pitched-blade turbine”

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.4) Influência dos tipos e sistemas de agitação sobre o  A

B

C

k La

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.4) Influência dos tipos e sistemas de agitação sobre o

k La

Moritz   et al.:

 k L a n  0, 4  0, 6* n  k L a 1 1 n  4

n = número de impelidores

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.5) Influência dos tipos de aeradores sobre o

k La

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.6) Influência da Temperatura sobre o

k La

k L a  (k L a) 20o C *(1, 020)T  20 T

 oC

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.7) Influência da adição de chicanas sobre o

k La

Aeração em Bioprocessos 6) Variáveis que Influenciam o valor de k La 6.8) Influência do aumento da rotação sobre o

k La

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos (sem células) -

Desoxigenação química Método de Cooper (Oxidação do Sulfito) Desgaseificação Método da Glicose Oxidase

7.2) Métodos Diretos (com células) - Método Dinâmico de Taguchi e Humphrey - Método do Balanço Gasoso

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos 7.1.1) Desoxigenação Química com Sulfito Na2SO3 + ½ O2

2+ Cu

Na2SO4

2) Adicionar Na2SO3 para reagir com todo O 2 3) Medir T (determinar Cs), acionar agitação/aeração; 4) Retirar amostras de tempos em tempos, parando o sistema a cada amostragem

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos 7.1.1) Desoxigenação Química com Sulfito Amostras são analisadas pelo Método de Winkler para determinação de CL Método de Winkler  MnSO 4  2 KOH      Mn(OH)2  K 2 SO 4 2 Mn(OH)2  O 2      2 MnO(OH)2   Mn(SO 4 )2  3 H2 O MnO(OH)2  H2 SO 4    Mn(SO 4 )2  2 KI      MnSO 4  K 2 SO 4  I2 2 Na 2 S 2 O3  I2      Na 2S 4 O 6  2 NaI

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos 7.1.1)  k L  Desoxigenação  p L  com Sulfito n O2  CS  C L   k G   p GQuímica

n O2  a 

dCL dt

 k La   C S  C L   k G a   p G  p L 

Tempo (s)

CL (ppm)

0 30 60 ...

0 10 20 ...

Aeração em Bioprocessos Exercício: A determinação do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) pelo método da desoxigenação química foi conduzida em laboratório. Foram necessários 0,571g de sulfito de sódio para a reação total com o oxigênio contido inicialmente na água. O experimento teve duração de 5 minutos, com temperatura média de 29 °C, na qual a constante de saturação de oxigênio (Cs) tem valor igual a 7,67 ppm. Com os resultados experimentais dados, calcule a concentração inicial de oxigênio e o valor do kLa para as condições operacionais do sistema em estudo. Tempo (min)

0,5

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

CL (ppm)

2,6

2,7

3,6

4,2

5,2

5,4

Na2SO3 + ½ O2 126 g/mol

16 g/mol

Cu

2+

Na2SO4

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos 7.1.2) Método de Cooper (Oxidação do Sulfito) Na2SO3 + ½ O2

Cu

2+

Na2SO4

1o) Encher o reator com uma solução 0,15 N de Na2SO3 2o) Medir T, homogeneizar e retirar amostra para dosagem de Na2SO3 3o) Agitação e aeração 4o) A cada 5 minutos: retirar amostra

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos 7.1.2) Método de Cooper (Oxidação do Sulfito) Na2SO3 + ½ O2

Cu

2+

Na2SO4

Dosagem de Na2SO3 Iodometria  HCl      2 NaCl  H2 SO 3 H2 SO 3  H2 O  I2      H2 SO 4  2 HI  I2 2 Na 2 S 2 O 3  I2      Na 2 S 4 O 6  2 NaI Na 2 SO 3

Determinação de SO32-

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos 7.1.2) Método de Cooper (Oxidação do Sulfito) Na2SO3 + ½ O2

n O2

Cu

2+

Na2SO4

 k L   CS  C L   k G   p G  p L 

n O2  a 

dCL dt

0

O2 Gdissolvido  k La   CS  C L   kTodo  p L  reage imediatamente Ga   p

f esteq = 16/126

SO32  f esteq k La  t  CS

Aeração em Bioprocessos Exercício: Em um biorreator contendo uma solução de sulfito de sódio, foi realizada a determinação do parâmetro kLa pelo método da oxidação do sulfito (método de Cooper). Os testes foram conduzidos a uma temperatura média de 28 °C (C s = 7,81 ppm) e, a cada 5 minutos, foram retiradas amostras para o monitoramento do consumo do sulfito de sódio. Com os resultados experimentais dados abaixo, calcular o valor do kLa para as condições operacionais do estudo. Tempo (min)

5

10

15

20

25

30

ΔSO32- (g/L)

1,15

1,79

3,15

4,08

4,47

6,37

SO32  f esteq k La  t  CS

Na2SO3 + ½ O2 126 g/mol

16 g/mol

Cu

2+

Na2SO4

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.1) Métodos Indiretos 7.1.3) Método da desgaseificação

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.2) Métodos Diretos Avaliação da questão da demanda

Concentração de células (gcel/L)

Demanda



dCL dt

Taxa de consumo de oxigênio (gO2/(gcel.h))

q 02



q O2 max  C L k 0  CL

 q 02  X Taxa específica de respiração (gO 2/(gcel.h))

Equação similar a Monod

Aeração em Bioprocessos 



Demanda 

Problema de ordem fisiológica;



Função das necessidades metabólicas da célula;



Proporcional à concentração de biomassa ativa;

Suprimento 

Problema de ordem física;



Função da geometria do biorreator; capacidade dos compressores de ar; sistemas de agitação e distribuição de ar; propriedades físico-químicas do meio; temperatura.

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.2) Métodos Diretos Avaliação da questão da demanda

q 02



q O2 max  CL k 0  CL

CL = Ccrítico

qO2 = qO2max

Equacionamento

dC L dt

 k L a   CS  CL   q 02  X

Aeração em Bioprocessos 7) Métodos de determinação de k La 7.2) Métodos Diretos 7.2.1) Método Dinâmico de Taguchi e Humphrey Trecho II = demanda X=cte) Trecho III

dC L /dt= -qO2. X (tempo pequeno para que

CL = -1/kLa (dCL /dt + qO2 X) + Cs

Aeração em Bioprocessos Estudo de caso Em dois bioprocessos, aerados e agitados, desenvolvidos pelo mesmo agente microbiano, ambos conduzidos em biorreatores de igual volume, empregou-se a mesma taxa de aeração (Q/V). Entretanto, um deles apresentou fator de conversão de substrato em produto bem inferior, quando

comparado

ao

outro.

Comente

 justificativas que poderiam explicar este fato.

algumas