Componentes B

1
Componentes BásicosSistema de agitaçãoSistema
de distribuição de O2Sistema de controle de
espumaSistema de controle de temperaturaSistem
a de controle de pHPortas de amostragemSistema
de limpeza e esterilizaçãoLinhas para esvaziar
o biorreator.
2
Sistema de Agitação

• Consiste do agitador e das chicanas (usadas para
  aumentar a turbulência e a eficiência de
  mistura).
• Prover boa mistura e aumentar a transferência de
  massa
• Prover condições apropriadas para a quebra das
  bolhas

3
Sistema de Agitação
Transferência de massa
4
SITEMAS DE AGITAÇÃO

• i) transferência de massa da bolha para a
  interface gás-líquido
• ii) transporte através da interface gás-líquido
• iii) difusão do filme de líquido que rodeia a
  bolha
• iv) transporte através da massa de líquido
• v) difusão através do filme de líquido estagnado
  que rodeia as células
• vi) movimento através da interface
  líquido-célula
• vii) difusão através do sólido até a célula
  individual, caso as células estejam associadas em
  flocos, agregadas ou imobilizadas
• viii) transporte através do citoplasma para o
  local de reação.

5
SITEMAS DE AGITAÇÃO

• Fluxo de oxigênio mol de O2/(cm2s)
• kG (cG,c cGi,c)
  (5)
• kL (cL,c cLi,c)
  (6)
• Onde KG e KLsão as coeficientes de transferência
  no gás e no líquido. cG,c cGi,c são as
  concentrações dos componentes c na bolha de gás e
  líquido e cL,c cLi,c são as concentrações na
  interface.
• Como as concentrações interfaciais não são
  usualmente acessíveis, consideramos um
  coeficiente global de transferência de massa KL e
  a concentração total (cL - cL),
• onde cL é a concentração do líquido em
  equilíbrio com a fase gás (M cL cG).
• Portanto, o Fluxo de oxigênio KL(cL - cL)
  (7)

6
SITEMAS DE AGITAÇÃO
Taxa de transferência de oxigênio por unidade de
volume é dada por
Fatores que influenciam na demanda de
oxigênio Espécie do microorganismo ou
célula Fase do crescimento Fonte de
carbono Natureza do processo.
7
SITEMAS DE AGITAÇÃO

• A transferência de massa depende
• da solubilidade do soluto no líquido
• mistura (? mistura, ? investimento e gasto de
  energia, ? danos as células, enzimas ou
  produtos)
• área interfacial entre as 2 fases (? área, ? taxa
  de transferência de massa).
• Para aumentar a área interfacial
• adicionar mais material ao reator
• diminuir o tamanho da bolha
• viscosidade do líquido (? viscosidade, ?
  transferência de massa).

8
SISTEMAS DE AGITAÇÃOkLa (Coeficiente
volumétrico de transferência de massa)
9
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Métodos para determinação do kLa
• Reações químicas (MÉTODO SULFITO)
• Nesses métodos o gás reage com o composto
  adicionado a fase líquida e este consumo é
  monitorado e relacionado com coeficiente
  desejado.
• O reagente deve ser suficiente para que todo o
  oxigênio seja consumido.

10
MÉTODOS PARA DETERMINALAÇÃO DO KLa

• MÉTODO SULFITO
• Na2SO3 ½ O2 ? Na2SO4

(Cu2 ou Co2)
festeq 16/126 CL, cte CL, concentração de
oxigênio dissolvido t, tempo ?C, concentração de
oxigênio consumido ? SO3-2, concentração de
sulfito consumido (método titulométrico)
11
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• MÉTODO SULFITO

• Limitações do método
• A reação tem que ser rápida o suficiente para
  reduzir a concentração no líquido até zero, mas
  não tão rápida que não seja possível medi-la
• A reação é função do pH, T e concentração de
  catalisador (tentar encontrar uma região onde o
  coeficiente seja independente do Cu2 ou Co2)
• Influência da qualidade da água

12
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• MÉTODO DINÂMICO

Primeiramente tem-se um biorreator aerado em
estado estacionário. Em dado instante corta-se a
entrada de ar do sistema e monitora-se a queda da
concentração de oxigênio no meio de cultura.
Após um tempo de 20 a 60 segundos, abre-se
novamente a entrada de ar do sistema. Durante
este período de tempo considera-se que não há
formação de biomassa no biorreator, desta forma a
variação da concentração de oxigênio é descrita
pela equação
(10)
13
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• MÉTODO DINÂMICO

Rearranjando os termos da eq.(10) obtem-se
(11)
Para um sistema particular C
pode ser considerado constante e agrupados
(12)
onde Ci é a concentração de oxigênio dissolvido
original do sistema em estado estacionário. Subst
ituindo a Equação (12) na Equação (11), obtem-se
(13)
14
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• MÉTODO DINÂMICO
• integrando a Equação (12), o kLa pode ser isolado
  e calculado

onde Ci, C0 e C são diferentes valores de
concentração de oxigênio dissolvido mostrados na
figura.
15
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• CORRELAÇÕES MATEMÁTICAS
• Um a determinada correlação se ajusta para um
  determinado reator e em certos regimes de
  operação. A maioria das correlações pode ser
  escrita da forma

(15)
k, ?, ?, constantes us, velocidade superficial
do gás m/s Pg, potência em sistema aerado V,
volume do líquido
16
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Outras correlações ...

Variáveis que afetam o kLa Velocidade do ar Tipos
e sistemas de agitação b.1) tipo de palheta
empregada b.2) número de jogos de
palhetas Propriedades físicas do mosto Velocidade
do agitador Temperatura Quantidade de
sólidos Taxa de aeração Volume de meio Adição de
chicanas Potência de aeração (depende a
velocidade superficial do gás)
(18)
17
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
natural (trabalho exercido por gás da
fermentação) forçada (introdução de gás pela base
do reator)
não-mecânica
Agitação
Aerado não-aerado
mecânica
18
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
Potência de agitação em processos não aerados
(P) Re, Fr, Np Eq. de Rushton para Np (c/ e
s/vórtice Escoamento laminar e turbulento)
Potência de agitação em processos aerados (Pg) a)
Aplicar fatores de correção à potência encontrada
para processos não aerados a.1) Relação
Gráfica a.2) Relação Analítica b) Utilizar
correlações empíricas entre potência e
aeração Eq. de Cooper et al. Eq. de Bartolomeu et
al. Eq. de Moritz Meireles Eq. de Fukuda et
al.
19
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• CORRELAÇÕES MATEMÁTICAS

20
SITEMAS DE AGITAÇÃO
IMPELIDORES
O nº de impelidores depende da altura de líquido
no reator.
Classificação Fluxo radial o líquido é
inicialmente dirigido a parede do reator, ie, ao
longo do raio do tanque. Não é tão eficiente
quanto o axial. Maior quantidade de energia é
necessária para geral o mesmo fluxo que o
axial Algumas marcas comerciais tipo
Arrowhead, de pás curvas, de pás retas
verticais, Impelidor Rushton, Impelidor Smith.
21
SITEMAS DE AGITAÇÃO
IMPELIDORES
Característica das lâminas são responsáveis por
gerar regiões de turbulência para quebra das
bolhas. Esta alta turbulência pode danificar
materiais como cristais e precipitados e também
células, como fungos filamentosos e células
animais.
22
SITEMAS DE AGITAÇÃO
IMPELIDORES Fluxo axial o líquido é dirigido
para a base do reator, paralelo ao eixo do
agitador. São deficientes em gerar turbulência
e quebra das bolhas de ar, o que os tornam
indesejáveis para cultivos aerados
São utilizados para processos sensíveis como em
reatores de cristalização e precipitação. São
também utilizados vastamente em culturas de
células animais. Algumas marcas comerciais
Impelidor Lightnin 320, Impelidor KPC KROMA,
Impelidor Pitched
23
SISTEMAS DE AGITAÇÃO
Chicanas Previnem a formação de vortex e um pouco
de mistura axial mesmo com impelidores de fluxo
radial.
Sem chicanas
Com chicanas
24
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Sistema de distribuição de gás
• Compressor, sistema de esterilização de ar,
  distribuidor de ar, sistema de saída de ar.
• Esterilização do ar de entrada e de saída
  prevenir a contaminação.
• Método em reatores de até 10.000 L utiliza-se
  filtração.
• Membranas acomodadas em pregas, criando um filtro
  compacto e grande área superficial.
• Para reatores maiores que 10.000 L a opção pela
  membrana torna-se muito cara. Atualmente,
  utiliza-se vapor para a esterilização.

Até 5 Litros
Até 1000 Litros
25
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Sistema de distribuição de gás

• Em reatores pequenos existe um condensador na
  saída dos gases, onde são condensados material
  volátil e vapor dágua.
• Isto minimiza a perda de água e voláteis por
  evaporação.
• Também previne contra o entupimento do filtro

26
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Sistema de distribuição de gás

Pressão Positiva
27
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Sistema de distribuição de gás

• Quebra o ar de entrada em pequenas bolhas.

28
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Sistema de distribuição de gás

rápida
lenta
Quando a velocidade de agitação é pequena, as
bolhas não serão quebradas tendendo a subir
direto para a superfície. Além disso, irão se
acumular no eixo do agitador, coalescendo e
diminuindo a transferência de oxigênio. Quando a
velocidade de agitação é grande, as bolhas
pequenas irão circular por todo o reator e terão
o seu tempo de residência aumentado.
29
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Taxa de vazão de ar
• É comumente reportada em termos de volume de ar
  por volume de meio por minuto ou vvm.

30
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Métodos de aeração
• Culturas paradas
• Pouca ou nenhuma energia é utilizada para aeração
  (depende da transferência de O2 pela superfície).
  
• Usado em testes de laboratório onde o suprimento
  de oxigênio não é crítico.
• Frascos são usualmente utilizados para pequenas
  culturas de células animais.
• Culturas em superfície produção de ácido
  cítrico, cultivos semi-sólido.
• .

31
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Métodos de aeração
• Cultivos Agitados
• Utilizados em cultivos de pequena escala
• Quando comparado ao cultivo parado, altas taxas
  de transferência de oxigênio podem ser
  encontradas
• Mesmo assim, limitações na transferência serão
  inevitáveis quando se tenta alcançar altos níveis
  de densidade celular..

32
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Métodos de aeração
• TANQUES AGITADOS
• Em reatores não aerados o oxigênio é transferido
  do espaço livre acima do líquido
• A agitação quebra continuamente a superfície do
  líquido e aumenta a área de transferência
• O efeito da velocidade de agitação na entrada do
  gás em um biorreator de 2 L é mostrado abaixo

33
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Métodos de aeração

34
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• 1. LEITO FLUIDIZADO
• Borbulhamento sem agitação mecânica também pode
  ser utilizado para aeração e agitação.
• Dois tipos destes biorreatores são coluna de
  bolhas e fermentadores airlift.

Biorreatores de borbulhamento são utilizados
mais comumente para culturas sensíveis as pás dos
impelidores como fungos e células vegetais. ? H/D
? colunas (81 201) Altura da coluna Aumenta
o hold up do gás Aumenta o tempo de residência
da bolha Região de alta pressão hidrostática
perto da entrada de ar, na base do reator.
1
35
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• LEITO FLUIDIZADO

Parâmetro mais importante para performance do
reator Tamanho da bolha. Determina a
velocidade de subida, tempo de residência do gás
e governa o hold up do gás (proporção de líquido
aerado que é ocupado pelo gás volume de bolhas
em relação ao volume de líquido), a área
interfacial e taxa de transferência de massa G/L.
36
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• AIR-LIFT

Diferem do número 1)9, pela presença de um tubo
central concentrico (2) ou lateral, ou ainda com
circulação externa (3) As principais funções
deste tubo são Aumentar a mistura axial no
reator Reduzir a coalescência das bolhas que
circulam numa mesma direção (igual a do
líquido) Equalizar as forças de cisalhamento (é
distribuída uniformemente pelo reator).
1
2
3
37
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Riser região onde as bolhas de gás são
  liberadas Pode ser dentro ou fora do tubo
  central. A ascensão das bolhas causa o fluxo de
  líquido na direção vertical
• Para contrabalançar, o líquido flui em direção
  descendente no downcomer. Isto permite a
  circulação do líquido e aumenta a eficiência de
  mistura quando comparado a coluna de bolhas.
• A circulação das bolhas em uma direção uniforme e
  a velocidade relativa uniforme, reduz a
  coalescência e resulta em maiores valores de kLa
  quando comparado a coluna de bolhas.

38
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Zona de Alívio
• adiciona volume ao reator
• reduz a espuma
• minimiza a circulação de bolhas pelo downcomer
  devido ao súbito alargamento do topo do reator
  que diminui a velocidade da bolha e a libera do
  fluxo do líquido. Assim previne-se a entrada de
  bolhas ricas em CO2 no downcomer
• redução da perda de meio devido a formação de
  aerossol (solução coloidal em que a fase
  dispersora é gasosa e a fase dispersa é sólida ou
  líquida)
• Os reatores airlift são utilizados com fluidos
  menos viscosos e quando há necessidade de
  agitação mais suave e transferência de oxigênio a
  baixo custo.
• Os reatores agitados convencionais possuem
  eficiência de mistura deficiente qdo comparados
  ao airlift.

39
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Biorreator airlift híbrido
• pode possuir 1 ou mais impelidores axiais
  localizados no tubo central
• Alcançam alto padrão de fluxo direcional do que é
  possível com reatores airlift convencionais
• Assim, tem maior capacidade de suspender sólidos
  e reduzir gradientes axiais de concentração que
  ocorrem em reatores airlift altos e afetam
  negativamente a performance.

40
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Poucos estudos têm sido feitos comparando as
  performances de biorreatores híbridos e airlifts
  convencionais e tanques agitados
• Chisti e Jauregui-Haza (2002) apresentam estudos
  para a transferência de oxigênio e mistura em
  tais reatores.
• Principais conclusões
• Uso de impelidor de fluxo axial no downcomer
• ? circulação de líquido, ? mistura, ?
  transferência G/L quando comparado a operação sem
  o agitador, ? consumo de energia
• ? concentração de fibras (conc. De micélio), ?
  kLa
• A aeração superficial contribui (pouco) para a
  transferência total G/L
• O aumento ou não da performance de mistura
  depende da intensidade da agitação mecânica. A
  altas taxas de aeração (ug?0,04ms-1) a utilização
  ou não de agitador não muda as características de
  mistura.

41
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Sistema de controle da formação de espuma
• Formação excessiva de espuma podem
• Bloquear os filtros de saída de ar
• Aumentar a pressão do biorreator (perda de meio,
  danos ao reator e mesmo a quem está operando)
• O controle é feito com a adição de agentes
  antiespumantes baseados em silicone ou óleos
  vegetais que desestabilizam a espuma pela
  redução da tensão superficial.

42
SISTEMAS DE AGITAÇÃO

• Fatores que afetam a formação de espuma e adição
  de antiespumante
• Meio de fermentação meios ricos em proteínas
  tendem a formar mais espuma. Muitas células
  produzem moléculas tipo detergente (ácidos
  nucleicos e proteínas excretadas na lise das
  células ou compostos lipídicos produzidos durante
  o crescimento)
• Produtos excretados durante o processo
• Taxa de aeração e velocidade do agitador (?,?
  formação de espuma)
• O volume livre no reator em sistemas nos quais
  a espuma é formada facilmente, o volume de
  trabalho deve ser reduzido para facilitar o
  controle de espuma. Quanto maior o volume livre,
  maior a probabilidade da espuma colapsar por
  causa do seu próprio peso
• Temperatura do condensador em reatores de
  laboratório uma temperatura mais baixa pode
  ajudar no controle da espuma. A densidade da
  espuma aumenta quando ela se move de uma região
  mais quente para a região fria do condensador,
  causando o colapso da espuma
• Quebradores mecânicos de espuma impelidor de
  alta velocidade. A bolha é puxada para o
  impelidor e colapsa por ação de forças mecânicas.
  Em pequenos reatores de laboratório são
  utilizados quebradores ultrasônicos, que geram
  vibrações de alta frequência responsáveis por
  quebrar as bolhas da espuma.

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SISTEMAS DE AGITAÇÃO
Controle da Espuma ON-OFF. Uma parte fica no
mosto e a outra acima do nível do líquido Quando
a espuma atinge a superfície do sensor que está
em cima, existe a produção de uma corrente
elétrica que é detectada pelo controlador,
resultando na ativação da bomba.