ENGENHARIA BIOLÓGICA INTEGRADA II

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1 ENGENHARIA BIOLÓGICA INTEGRADA II TRANSFERÊNCIA DE OXIGÉNIO EM TANQUES INDUSTRIAIS Helena Pinheiro Torre Sul, Piso 8, Gabinete Ext & Luis Fonseca

2 ENGENHARIA BIOLÓGICA INTEGRADA II TRANSFERÊNCIA DE OXIGÉNIO EM TANQUES INDUSTRIAIS Estimativa do coeficiente de transferência de oxigénio Volume ocupado pela fase gasosa

3 TANQUES: Transferência de oxigénio TRANFERÊNCIA DE OXIGÉNIO EM TANQUES AGITADOS líquido [O 2 ] po 2 Passo limitante: velocidade de transferência no filme estagnado do lado do líquido gás r O2 = k L a O 2 interface O 2 líquido Taxa volumétrica de transferência de O 2 - r O2 Área interfacial gás-líquido por unidade de volume de líquido - Coeficiente de filme para a difusão de O 2 no filme de líquido - a k L Lei de Dalton: p O2 = p total y O2 Lei de Henry: p O2 = H O2 O 2 interface pressão parcial de O 2 pressão total no gás fracção molar de O 2 pressão parcial de O 2 constante de Henry para O 2 no caldo à temperatura operacional concentração de O 2 em equilíbrio com po 2

4 TANQUES: Transferência de oxigénio CORRELAÇÕES PARA ESTIMATIVA DE k L a Factores: Factores geométricos (agitação; arejadores) Condições de agitação e arejamento Propriedades do caldo (coalescente/não-coalescente; reologia; concentração de biomassa) Outras condições operacionais (temperatura, pressão) Fluidos newtonianos: k L a = A a 1 v G b 1 Líquidos coalescentes: a 1 = 0,4-0,5; b 1 = 0,4-0,6 Líquidos não-coalescentes: a 1 = 0,5-0,7; b 1 = 0,2-0,4 Fluidos não-newtonianos: viscosidade aparente do líquido k L a = B a 2 v G b 2 μ a c 2 a 2, b 2 = 0,2 a 1,0 c 2 = -0,5 a -1,3 Velocidade superficial do gás v G = Q G πd T 2 4 Valores somente indicativos

5 TANQUES: Transferência de oxigénio CORRELAÇÕES PARA ESTIMATIVA DE k L a Exemplos (unidades SI): Fermentação com leveduras; diferentes tanques agitados, com chicanas e arejamento; = 2-15 L k L a = 3, ,35 0,41 v V G útil Fermentação com E. coli ; concentração celular [ X (g/l) ] até 70 g/l k L a = 0,0192 0,55 v G 0, ,12X + 0,20X 2 0,25 Fermentações com um fungo filamentoso; = 10 L k L a = 5, ,53 v G 0,43 μ a 0,12

6 TANQUES: Volume da fase gasosa VOLUME OCUPADO PELA FASE GASOSA H V H LV H V H LV arejada H V altura da virola cilíndrica H LV altura de líquido na virola altura da virola molhada H V > H LV Hold-up do gás: ε = V G V G + = V G V G + V líquido volume do gás V G = ε 1 ε H LV = H L h f h f H LV arejada = H LV + V G π D T 2 4

7 TANQUES: Volume da fase gasosa VOLUME OCUPADO PELA FASE GASOSA H V H LV H V H LV arejada Estimativa do Hold-up do gás (unidades SI): água (líquido coalescente), tanques agitados, até 100 m 3 pressão atmosférica ε = 0,13 0,33 p atm v G p agitador 0,67 pressão ao nível do agitador do fundo Líquidos não-coalescentes, caldos reais: ε > ε água

8 TANQUES: Agitação e arejamento EXEMPLO DE CÁLCULO Fermentação para produção de ácido itacónico Dados-base (alguns dos exemplos anteriores): Fermentação aeróbia com Aspergillus terreus (fungo filamentoso) Volume útil do fermentador: = 24 m 3 Geometria do vaso fermentativo: H L = 6,5 m ; D T = 2,2 m; h fundo =0,42 m; h fundo = 0,02 m; H V = 8,4 m Caudal de arejamento = 0,2 m 3 /s Temperatura da fermentação: 35ºC Fracções molares de O 2 no gás: 0,21 (entrada); 0,17 (cúpula) Pressões: cúpula = 1,2 atm; hidrostática = 0,63 atm Concentração de O 2 mantida no líquido: 10% da saturação Potência de agitação na situação arejada por unidade de volume útil = 1,3 kw/m 3 Viscosidade aparente máxima do caldo = 0,26 Pa.s Taxa volumétrica máxima de consumo de O 2 na fermentação = 0,2 kgo 2 /(m 3.h) Cálculos: Verificar se as condições de arejamento e agitação satisfazem o requisito de taxa de transferência de O 2 Verificar se a expansão de volume devida ao arejamento não ultrapassa a altura da virola

9 ENGENHARIA BIOLÓGICA INTEGRADA II TRANSFERÊNCIA DE OXIGÉNIO EM TANQUES INDUSTRIAIS Estimativa do coeficiente de transferência de oxigénio Volume ocupado pela fase gasosa