Aula 4 - Agitação e Aeração

Objetivo Geral:

Apresentar os princípios de agitação e aeração e sua finalidade em bioprocessos.

Objetivos específicos:

explicar o 6 de aeraçãoyy, motivo pelo qual é empregado
explicar o princípio de agitação, motivo pelo qual é empregado
apresentar sistemas de aeração e agitação
apresentar fatores que influenciam na concentração de oxigênio dissolvido

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INTRODUÇÃO

Biorreatores são equipamentos utilizados para transformar matéria-prima em produtos utilizando, como meio de produção microrganismos, células animais, vegetais ou enzimas. O biorreator ideal para produção depende do tipo de célula que será empregado no processo.

Microrganismos aeróbios (MA), por exemplo, dependem obrigatoriamente da oferta e disponibilidade de oxigênio no meio de cultivo, aumentando sua demanda. Um biorreator indicado para este crescimento celular é o de aeração e agitação, uma vez que fornece o oxigênio necessário e homogeniza o meio, ofertando em toda sua extensão o elemento (Campesi, 2007).

Elemento este, que participará como aceptor final de elétrons da cadeia respiratória, que então será reduzido à água e permitirá ao reoxidação das coenzimas desta cadeia (Schmidell, 2001). Este processo permite a produção e armazenamento de ATP (energia), que será utilizado no metabolismo celular e síntese de moléculas necessárias para sobrevivência e proliferação celular, assim como a transformação da matéria-prima em produto final (SILVA, et al., 2001).

MA, além do aumento da demanda de oxigênio, pode aumentar a viscosidade aparente do caldo, o que dificulta a transferência da fase gasosa para líquida, diminuindo o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLA) (Campesi, 2007).

Na fermentação realizada industrialmente, os biorreatores do tipo tanque agitado e aerado são os mais empregados, uma vez que possibilita correta homogeneização de nutrientes, menor quantidade possível de morte celular resultante da adição de ácidos e bases (utilizados no controle do pH do meio de cultivo), além de transferência de calor para controle da temperatura e massa confiáveis (AIBA et al., 1973).

Sabe-se que nutrientes como, fontes de carbono, nitrogênio, fósforo e outros são importantes para um bioprocesso e sempre há a possibilidade de dissolvê-los. Para o oxigênio, essa situação é um pouco diferente, pois ele é pouco solúvel em água, sua concentração dissolvida na saturação é na ordem de 7mg O2/L. Então, de nada adiantaria adicionar todos os nutrientes necessários sem igualmente introduzir, ao longo do processo, o oxigênio necessário para suportar a condição de aerobiose (Schmidell, 2001).

Resumindo, os objetivos da agitação e aeração são homogeneização, dispersão de gases, dispersão de líquidos imiscíveis e transporte de nutrientes e calor.

BREVE HISTÓRICO

Em 1943, nos EUA foi realizado a primeira planta industrial de fermentação para o produção de penicilina em fermentadores de aço-carbono de 54m³.

Inicialmente, os cultivos foram realizados em frascos em plataformas giratórias, mas existia a limitação na transferência de oxigênio. O uso de frascos agitados e aerados usados como fermentadores em 1947, foi o primeiro biorreator, produzido pela americana New Brunswick. (Prof. Dr. João Batista de Almeida e Silva, Faculdade de Engenharia Química de Lorena).

TIPOS DE SISTEMA DE AGITAÇÃO E AERAÇÃO

SISTEMA DE AERAÇÃO

Como dito anteriormente, algumas células necessitam de oxigênio disponível para sobrevivência, proliferação e produção das substâncias desejadas, porém o oxigênio possui baixíssima solubilidade em água e para suprir a demanda celular é preciso ofertar constantemente o meio de cultivo.

A oferta constante de oxigênio gera aumento de custos no processo, sendo imprescindível sua consideração na análise da técnica utilizada no cultivo, visando a acessibilidade do produto final.

Há duas classes de reatores: por superfície e por profundidade.

Superfície

Em bandeja

Segundo Marques (2005), o reator em bandeja mostrado na figura 1, é constituído por bandejas individuais onde cada bandeja apresenta uma camada de substrato, essa classe de reator não possui aeração forçada. (Figura 2)

Figura 2. Biorreator em bandeja

Leito fixo

Ele sugere a transferência de oxigênio em reatores com células imobilizadas em um leito fixo, constituído por cascalhos, no caso de filtros aeróbios para o tratamento de águas residuárias (Schmidell, 2001). Contudo, possui algumas desvantagens, como uma deficiência na transferência de oxigênio, massa e calor, em virtude de trabalhar com fluxo laminar na entrada do leito e ainda, pode haver formação de caminhos preferenciais de fluxos, desviando seu curso e ocasionando baixa conversão do substrato.

Figura 3: Modelo de reator de leito fixo Fonte: Portal de Engenharia Química

Profundidade

Air lift

É um reator agitado pneumaticamente e é a forma mais convencional dos reatores. É um sistema no qual as bolhas são direcionadas por um movimento específico, criando um movimento de arraste para que o líquido circule de forma ordenada.

O ar é introduzido em uma chaminé no interior do reator, através de um metal ou material cerâmico sintetizado de pequenos poros, o que provoca uma intensa agitação no líquido, dependendo da vazão do ar empregada. Esses reatores são interessantes para o cultivo de células que apresentem grande sensibilidade ao cisalhamento. (Schmidell, 2001).

Esses biorreatores tem destaque devido à sua simplicidade de construção, assim como facilidade de operação, baixa possibilidade de contaminação, consumo de energia e altas taxas de transferência de massa e calor. (Chisti, 1989).

Figura 4: Esquema de biorreatores air lift com recirculação interna (a) e externa (b) Fonte: Adaptado de Chisti (1989)

Coluna de bolhas

O reator do tipo coluna de bolha é mais simples e é utilizado para a produção de fermento.

Consiste numa serpentina localizada no fundo do reator, através da qual devem surgir bolhas de pequeno diâmetro que sobem toda a altura do reator, provocando agitação e transferindo oxigênio. (Schmidell, 2001).

Estes biorreatores têm como vantagem proporcionarem excelente transferência de calor e massa; exigirem baixa manutenção e baixo custo de operação, por não possuírem partes móveis e apresentarem alta durabilidade do catalisador e seus componentes. (Branco et al, 2005)

Figura 5: Esquema de um biorreator de coluna de bolhas. Fonte: Branco (2005)

Draught-tube

O líquido bate nas paredes do reator e é empurrado para baixo onde tem um tubo canalizando o sistema. (Figura 6 (6))

Propõe-se a colocação do impelidor no interior de um duto, objetivamento a formação de vórtice no interior desta chaminé e, com isso, ampliar a efetividade na transferência de oxigênio.

Esse sistema não pode ser usado para células que não resistem a força de cisalhamento.

Existe também o reator agitado e aerado, que é o tipo de reator mais frequentemente usado na indústria, responsável por cerca de 93% das aplicações (Grant, 1964). Apresenta altura do líquido igual ao diâmetro do tanque, sendo agitado por um impelidor tipo turbina com 6 pás planas, apresentando um diâmetro igual a ⅓ do diâmetro do tanque. (Schmidell, 2001).

Figura 6: Sistemas diversos para a transferência de oxigênio em biorreatores. (1) bandeja ou lagoa; (2) reator de leito fixo; (3) coluna de bolhas; (4) “air-lift’’; (5) tanque agitado e aerado; (6)’’draught-tube’’. Fonte: (Schmidell, 2001)

SISTEMAS DE AGITAÇÃO

Em se tratando de meio com células livres, os reatores em fase aquosa do tipo STR (reator de tanque agitado, do inglês Stirred Tank Reactor), também conhecidos como reatores de mistura, representam cerca de 90% dos reatores utilizados industrialmente.

Constituem-se de um tubo cilíndrico com agitador, colocado em volta de um eixo central rotatório e distribuído ao centro e fundo do tanque. O tipo, tamanho e número de agitadores, bem como a localização, influenciam diretamente na mistura e transferência de massa no reator. A sua velocidade de rotação (RPM) é definida de acordo com o processo em andamento.

No entanto, o agitador deste tipo de reator gera um excesso de cisalhamento não desejado no meio de cultivo, provocando danos às células. Além disso, este tipo de agitação mecânica nem sempre resulta, de maneira eficiente, em manutenção dos biocatalisadores em suspensão.

DEFINIÇÃO

TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO

O objetivo central de um sistema de agitação e aeração é o fornecimento de oxigênio para a manutenção da atividade respiratória do microrganismo. Sendo assim, o que se espera é a transferência do oxigênio da fase gasosa para o líquido, fazendo com que esse oxigênio se dissolva e chegue às células suspensas, penetrando nas mesmas para que seja consumido na reação. (Schmidell, 2001). Por ser pouco solúvel em meio líquido, em termos de concentração de saturação, existe a necessidade de suprir a demanda de oxigênio durante o processo fermentativo para que as células encontrem a possibilidade de converterem, de forma adequada, o substrato no produto desejado.

O transporte de oxigênio desde a bolha de ar até o interior da célula é afetado por uma grande resistência a essa transferência e pode ser subdividida em diversas resistências específicas.

Figura 6: Diagrama esquemático dos passos envolvidos no transporte de oxigênio de uma bolha de ar para o interior de uma célula microbiana. Fonte: BAILEY, 1986

As resistências são conceituadas da seguinte forma:

R1 : Difusão do gás do interior da bolha até a interface gás-líquido

R2 : Passagem pela interface gás-líquido

R3 : Difusão através da película estagnada de líquido, externa à bolha

R4 : Transporte através do meio líquido

R5 : Difusão através da película estagnada externa ao agregado celular

R6 : Passagem pela interface película estagnada-agregado celular

R7 : Difusão no agregado celular

R8 : Passagem pela membrana celular

R9 : Difusão interna na célula

CONCEITOS DE VVM E KLA

Ao se projetar um biorreator de porte industrial, a partir de um experimental, o escalonamento deve-se levar em consideração a proporção do volume de gás que será fornecido em relação ao volume do meio (VVM); a capacidade do sistema disponibilizar o oxigênio dissolvido para as células (KLA) e agitação do meio.

Para que o sistema de aeração seja efetivo é necessário que o oxigênio, não só, seja injetado no meio de cultura na forma de gás, mas que seja dissolvido e então utilizado pela célula. Esta transferência de oxigênio da forma gasosa para líquida é ilustrado pelo KLA (coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio).

O KLA é determinado a partir da razão entre o logarítmo neperiano da diferença da concentração do oxigênio saturado (concentração máxima que o sistema pode alcançar de oxigênio dissolvido no meio) e a concentração de oxigênio consumido pelo organismo em relação ao tempo. Então matematicamente temos:

Figura 7. Equação matemática de KLA

Onde:

Cs é a concentração do oxigênio saturado no meio

C é a concentração de oxigênio consumido pelo cultivo

T é o tempo que será considerado (horas)

Por sua vez, o VVM é o volume de ar que será injetado no meio de cultura pelo volume do meio de cultura por minuto. Então, matematicamente temos:

Figura 8. Equação matemática de VVM

INTERFERENTES

Forma do bioreator
Capacidade do bioreator
Concentração do gás
Velocidade de agitação
Forma geométrica (hélices, chicanas, etc.)
Viscosidade do líquido
Composição do meio
pH
Temperatura de fermentação
Taxa de aeração
Potência do agitador

CONTEXTUALIZAÇÃO

Scartazzini 2001, utilizou o biorreator air lift para pré-fermentação do mosto de uva e obteve grande vantagem devido sua fácil e barata manutenção, menor chance de contaminação já que facilita a limpeza e esterilização e porque sua injeção de gás serve para as duas funções, agitação e aeração, eliminando o gasto adicional de energia para a agitação e promovendo um aumento na capacidade de transferência de massa e calor.

Rico, 2015 realizou produção enzimática de biodiesel etílico em reator de leito fixo e regime de fluxo contínuo utilizando células íntegras de Mucor circinelloides imobilizadas em espuma de poliuretano. Possuem baixo custo, alta eficiência, ampliação de escala e menor grau de cisalhamento, evitando a ruptura das partículas do biocatalisador.

Referências

AIBA, S.; OKABE, M.; OKADA, M. Modified complex method as applied to an optimization of aeration and agitation in fermentation . J. Ferment. Technol., 51 (8): 594-605, 1973.
SILVA, D.P.; PESSOA Jr., A.; ROBERTO, I. C.; VITOLO, M. Effect of agitation and aeration on production of hexokinase by Saccharomyces cerevisiae. Appl. Biochem. Biotechnol., Totowa, v.91, n.3, p.605-613, 2001.
CHISTI, M. Y. Airlift Bioreactors. Elsevier Applied Sciences. London, 1989. 345p
BRANCO R. F, SANTOS J.C., CUNHA M. A.A., SANTOS D. T., Silva S.S., Produção biotecnológica de xilitol a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar em biorreator de coluna de bolhas. In: VI Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica, 2005, Campinas. 2005. p. 1-6
SCHMIDELL, W.; FACCIOTTI, M. C. R. Biorreatores e Processos Fermentativos. Cap. 8 in W.; SCHMIDELL, W.; LIMA, U.; A AQUARONE, E.; BORZANI, Engenharia Bioquímica (Biotecnologia Industrial), Ed. Edgard Blucher Ltda, vol. 2, São Paulo, 2001.
GRANT E. L. and IRESON W. G. - Principles of Engineering Economy, The Ronald Press Co., Nova York, 1964.
BAILEY, J.E.; OLLIS, D.F. Biochemical Engineering. New York: McGraw Hill, 1986. 984p.
RICO, A. L. L.; Produção enzimática de biodiesel etílico em reator de leito fixo e regime de fluxo contínuo utilizando células íntegras de Mucor circinelloides imobilizadas em espuma de poliuretano, Lorena, 2015. p.20
SCARTAZZINI, L., S.; Utilização do Biorreator Airlift na pré-fermentação do mosto de uva, Florianópolis, 2001, p. 29-32.
Campesi, A.; Avaliação da velocidade de cisalhamento média em biorreator convencional tipo tanque agitado e aerado. São Carlos, São Paulo, Brasil, 2007
Camargo, Ilana L.B.C.; Biorreatores e processos fermentativos - Ciências Físicas e Biomoleculares IFSC - USP, 2017