Sistema de Agitação

1. Componentes BásicosSistema de agitação;Sistema de distribuição de O2;Sistema de controle de espuma;Sistema de controle de temperatura;Sistema de controle de pH;Portas de amostragem;Sistema de limpeza e esterilização;Linhas 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. Substituindo 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 d’água. • 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 lenta rápida 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. 450 rpm 300 rpm 750 rpm 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 (8:1 – 20:1) 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.

43. 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.