Universidade Estadual de São Paulo Escola de Engenharia de Lorena Prof. Arnaldo Marcio Ramalho Prata Respiração Microbiana

RESPIRAÇÃO MICROBIANA Abordagem envolvendo o consumo (ou demanda) de oxigênio Inicialmente define-se a velocidade específica de respiração (Q O2 ): (1)

O valor de Q O2, 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 Q O2 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 m O e Y O : 2 mmol O2 /g cel.h e 1,55 g cel /g O2 *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 O 2, pelo sistema de transferência, e o consumo de O 2, pelas células, permite realizar o balanço de oxigênio no meio líquido, chegando-se ao seguinte equacionamento: Lembrar que Q O2 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 O 2 e de não permitir concentrações de O 2 abaixo de C crit., 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 O 2 : com C=cte. e k L a variável e com k L a=cte. e C variável, com mínimo fixado em 0,2.C s.

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 k L a dificilmente apresenta valores constantes ao longo de uma fermentação. Tais fatos demonstram a necessidade de se determinar o k L a e o Q O2 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 k L a 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 k L a a ser empregado, considerando um C crit de 10% da concentração de O 2 na saturação. Dados: Y O =1,0 g cel /g O2 ; m O =0,1 g O2 /g cel.h. Exercício

DETERMINAÇÃO DE K L A E Q O2 DURANTE O PROCESSO FERMENTATIVO A. Método dinâmico 1. Cessa-se a aeração num dado instante da fermentação (t 0 ), correspondente a uma concentração de OD igual a C 0 (pode-se diminuir também a agitação, porém, com cuidado) 2. Quando se atingir um certo valor C 01 (maior que C crit. ) (instante t 1 ), retoma-se a aeração e a agitação iniciais, registrando-se o aumento da concentração de OD até seu retorno a C 0 3. Assim, no trecho sem aeração vale a equação: Que, integrada, fornece: Equação de uma reta cujo coeficiente angular é igual a –Q O2 X. Assim, obtém-se Q O2 (7) (8)

Com o valor de Q O2 X é possível calcular o k L a 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 C 0, obtendo- se o k L a 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 – k L a. Assim, obtém-se k L a (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 O 2 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 Q O2 X obtém-se o k L a 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 Q O2 X, 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.

E XERCÍCIO 1 Durante 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 C S 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 k L a deste sistema. Tempo (min)% ODTempo (min)% OD 042,57,516,0 142,5816,0 242,5925,0 342,01034,5 440,01139,0 535,01241,0 628,01342,0 720,01442,5

E XERCÍCIO 2 Durante 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 Q O2 X e de k L a durante o processo. Dados: Temperatura do ar igual a 22o o C; Pressão local igual a 711 mmHg; Concentração de oxigênio na saturação igual a 6,46 mg O2 /L; Volume de meio igual a 2,028lL. Tempo (h) Vazão (L/h) x O2 C (mgO2/L) Tempo (h) Vazão (L/h) x O2 C (mgO2/L) 061,80,2095,704,560,90,1550,58 0,861,30,2075,574,860,90,1490,06 1,460,50,2055,415,560,50,1390 2,062,20,2025,125,860,10,1320 2,760,90,1964,546,261,30,1330 3,860,50,1752,406,661,80,1330 4,360,90,1631,31