Universidade Estadual de São PauloEscola de Engenharia de Lorena

Prof. Arnaldo Marcio Ramalho Prata

Respiração MicrobianaRespiração Microbiana

RESPIRAÇÃO MICROBIANA

Abordagem envolvendo o consumo (ou demanda) de oxigênio Inicialmente define-se a velocidade específica de respiração

(QO2):

(1)

O valor de QO2, para um dado microrganismo, pode ser relacionado com a concentração de oxigênio dissolvido no

meio líquido (C), de acordo com uma equação do tipo MONOD:

(2)

Representação esquemática da variação de QO2 em função de C, segundo a equação (2).

(3) Valores para células crescendo isoladamente.Para células que crescem em forma de grumos ou pellets, os valores podem ser da ordem de 30 a 50% da saturação.

o Além da concentração de OD, outros fatores interferem na velocidade de respiração.

o Dependendo das condições do meio, as células crescem em baixas velocidades ou em altas velocidades, e, consequen-temente, apresentarão baixas ou altas velocidades de respiração.

o Assim, conclui-se que existe uma relação entre a velocidade específica de crescimento e a velocidade específica de respiração:

(3)

Exemplos* de valores de mO e YO:

2 mmolO2/gcel.h e 1,55 gcel/gO2

*valores médios para Aspergillus awamori NRRL 3112 em diferentes condições de transferência de oxigênio

ANÁLISE CONJUNTA DA TRANSFERÊNCIA E DO CONSUMO

DE OXIGÊNIO

O fornecimento de O2, pelo sistema de transferência, e o consumo de O2, pelas células, permite realizar o balanço de oxigênio no meio líquido, chegando-se ao seguinte equacionamento:

Lembrar que QO2 varia com µ e X varia com o tempo.

(4)

O sistema de transferência de oxigênio deverá ser dimensionado de forma a atender à máxima demanda, para se garantir a condição de não limitação de oxigênio.

Considerando a necessidade de se atender à demanda máxima de O2 e de não permitir concentrações de O2 abaixo de Ccrit., existem duas formas de se operar um processo fermentativo, em relação ao fornecimento de oxigênio:

(1) Manter uma concentração de oxigênio constante(2) Manter uma transferência de oxigênio constante

(5) (6)

Ilustração de duas possíveis formas para se projetar um sistema de transferência de O2: com C=cte. e kLa variável e com kLa=cte. e C variável, com mínimo fixado em 0,2.Cs.

Concentração constante (1): necessita investimento em sistema de controle e proporciona economia de energia

Transferência constante (2): menos investimento em controle e maior gasto de energia.

Obs.: o kLa dificilmente apresenta valores constantes ao longo de uma fermentação.

Tais fatos demonstram a necessidade de se determinar o kLa e o QO2 durante o processo fermentativo, de modo a se dimensionar corretamente o sistema de transferência de oxigênio.

Num sistema em que se deseja empregar um valor

fixo de kLa para todo o cultivo, sabe-se que a

concentração celular máxima é de 5,0 g/L. Neste

momento, o microrganismo apresenta uma

velocidade específica de crescimento igual a 0,32 h-1.

Calcule o valor de kLa a ser empregado, considerando

um Ccrit de 10% da concentração de O2 na saturação.

Dados: YO=1,0 gcel/gO2; mO=0,1 gO2/gcel.h.

Exercício

DETERMINAÇÃO DE KLA E QO2 DURANTE O PROCESSO FERMENTATIVO

A. Método dinâmico

1. Cessa-se a aeração num dado instante da fermentação (t0), correspondente a uma concentração de OD igual a C0

(pode-se diminuir também a agitação, porém, com cuidado)

2. Quando se atingir um certo valor C01 (maior que Ccrit.) (instante t1), retoma-se a aeração e a agitação iniciais, registrando-se o aumento da concentração de OD até seu retorno a C0

3. Assim, no trecho sem aeração vale a equação:

Que, integrada, fornece:

Equação de uma reta cujo coeficiente angular é igual a –QO2X.Assim, obtém-se QO2

(7)

(8)

Com o valor de QO2X é possível calcular o kLa de duas formas distintas:

1. Considerar que a concentração de OD varia muito lentamente durante o processo e que ao final da aplicação do método esta retorna a C0, obtendo-se o kLa pela expressão:

2. Empregar os dados do trecho ascendente da curva de concentração de OD, em que vale a equação:

Que, rearranjada e integrada, fornece:

Equação de uma reta cujo coeficiente angular é igual a – kLa.Assim, obtém-se kLa

(9)

(10)

(11)

*

B. Método do balanço gasoso

Envolve o monitoramento preciso das vazões de entrada e saída de gases no reator, e dos seus teores de O2

1. O balanço material para o oxigênio no gás fornece:

2. O balanço material para o oxigênio no líquido fornece:

3. Combinando as duas equações chega-se a:

4. Com o valor de QO2X obtém-se o kLa como no método dinâmico.

Obs.: Para reatores de pequeno porte, em que se pode considerar iguais as vazões de entrada e saída dos gases, assim como suas pressões e temperaturas de entrada e saída, pode-se calcular o QO2X, alternativamente, pela expressão:

O método do balanço gasoso é o mais conveniente, uma vez que é não invasivo, ou seja, não interfere no processo. Além disso, analisa-se o reator como um todo, e não em

apenas um ponto.

EXERCÍCIO 1Durante um processo fermentativo, o suprimento de ar para o fermentador foi interrompido por um curto período de tempo e em seguida restabelecido. Um valor de CS de 7,3 mg/L foi determinado para as condições do processo. Usando os dados de medida de OD da tabela, calcule a velocidade de consumo de oxigênio e o valor de kLa deste sistema.

Tempo (min)

% OD Tempo (min)

% OD

0 42,5 7,5 16,01 42,5 8 16,02 42,5 9 25,03 42,0 10 34,54 40,0 11 39,05 35,0 12 41,06 28,0 13 42,07 20,0 14 42,5

EXERCÍCIO 2Durante uma fermentação para produção de 2,3gbutanodiol por Klebsiella pneumoniae, foram obtidos os seguintes dados de vazão de ar, fração molar de oxigênio nos gases de exaustão e concentração de oxigênio no meio, em função do tempo. Obtenha o gráfico da variação de QO2X e de kLa durante o processo. Dados: Temperatura do ar igual a 22ooC; Pressão local igual a 711 mmHg; Concentração de oxigênio na saturação igual a 6,46 mgO2/L; Volume de meio igual a 2,028lL.

Tempo (h)

Vazão

(L/h)

xO2 C

(mgO2/L)

Tempo (h)

Vazão (L/h)

xO2 C

(mgO2/L)

0 61,8 0,209 5,70 4,5 60,9 0,155 0,580,8 61,3 0,207 5,57 4,8 60,9 0,149 0,061,4 60,5 0,205 5,41 5,5 60,5 0,139 02,0 62,2 0,202 5,12 5,8 60,1 0,132 02,7 60,9 0,196 4,54 6,2 61,3 0,133 03,8 60,5 0,175 2,40 6,6 61,8 0,133 04,3 60,9 0,163 1,31