CONSTRUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA E DA TRANSFERÊNCIA DE MASSA DUM BIORREATOR AIRLIFT

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1 CONSTRUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA E DA TRANSFERÊNCIA DE MASSA DUM BIORREATOR AIRLIFT EM ESCALA DE LABORATÓRIO COM CONFIGURAÇÃO VARIÁVEL DE FLUXO G. FACHINELLI 1, M. M. SILVEIRA 1 e T.A. POLIDORO 1 1 Universidade de Caxias do Sul, Instituto de Biotecnologia para contato: gui.fachi@hotmail.com RESUMO Biorreatores airlift têm mostrado grande potencial na condução de processos bioquímicos, por serem equipamentos mais simples e menos custosos que biorreatores de agitação mecânica. Objetivou-se como o presente trabalho, a construção e caracterização de um biorreator airlift eficiente na transferência de oxigênio e na homogeneização do meio de cultivo. Os parâmetros avaliados foram diâmetro médio de bolhas, tempo de mistura, retenção gasosa e KLa. Os ensaios foram conduzidos em água e houve variação no fluxo específico de gás e na geometria do biorreator. Observou-se que os parâmetros avaliados sofreram influência direta da geometria do biorreator e da velocidade superficial do gás. O diâmetro médio de bolhas obtido foi de 0,87 mm, valor esse de 4 a 10 vezes menor que o encontrado na literatura pesquisada. Os resultados de KLa obtidos no regime de circulação interna, de 35 a 52 h -1, e no regime de circulação externa, de 35 a 57 h -1, mostrarem-se coerentes aos encontrados na literatura. 1. INTRODUÇÃO Uma vasta gama de biorreatores está disponível para utilização em bioprocessos e, dentre os principias, podem ser citados os convencionais (tipo tanque agitado e aerado) utilizados em 93% dos processos, e os não convencionais (pneumáticos) (Cerri; Badino, 2010). Entre os biorreatores pneumáticos mais empregados estão os do tipo coluna de bolhas e do tipo airlift (Thomasi, 2010). Embora os reatores pneumáticos estejam substituindo os reatores convencionais principalmente em processos aeróbios, o uso industrial de biorreatores do tipo airlift ainda é restrito, mesmo que estes sejam equipamentos de construção e operação relativamente simples, pois não apresentam partes móveis como os do tipo tanque agitado e aerado. O aumento do emprego deste tipo de equipamento está aliado à exploração de novos processos bioquímicos e ao melhoramento de sua eficiência operacional (Merchuk; Gluz, 2002; Campesi; 2007; Thomasi, 2010). O aumento da eficiência operacional de biorreatores airlift está ligado a uma série de parâmetros de desempenho, que devem ser avaliados no decorrer do projeto e da construção destes

2 equipamentos (Merchuk; Gluz, 2002). Parâmetros como as relações geométricas, diâmetro de bolhas, tempo de mistura, retenção gasosa e coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio KLa devem ser analisados como critérios avaliativos do desempenho de biorreatores airlift (Chisti, 1989; Thiemann, 2001; Pompeo, 2014). 2. MATERIAIS E MÉTODOS O projeto e construção do biorreator arilift, com capacidade de aproximadamente 28 L de meio de cultivo, foi baseado em relações dimensionais relatadas na bibliografia (Chisti, 1989; Chisti; Moo- Young,1993; Asenjo, 1995; Pedrini, 1996; Thiemann, 2001; Cerri; Badino, 2010). Os materiais empregados na construção deste biorreator foram acrílico, PVC, aço inoxidável e borracha vulcanizada. A Figura 1 apresenta desenho esquemático da proposta inicial do sistema de biorreator airlift com seus principais componentes. Figura 1 - Esquematização do biorreator airlift progetado e construido no presente trabalho. Água (25 C) e ar comprimido foram o líquido e a fase gasosa utilizados nos ensaios. A vazão do gás foi medida com fluxímetro do tipo rotâmetro da marca Protec e variou entre 0,2 e 0,5 vvm. A velocidade superficial do gás (UGS), foi baseada na área da seção transversal do riser, variando entre 0,0065 0,0152 m/s (0,2 0,5 vvm), no regime de circulação externo, e entre 0,0127 0,0297 m/s (0,2 0,5 vvm), no regime de circulação interna. A determinação do tempo de mistura (tm) foi realizada utilizando-se o método do pulso de ph descrito por Cerri e Badino (2010). As leituras de ph para a determinação do tempo de mistura foram realizadas com phmetro de bancada Provitec/DosaTronic PH 2900 (marca/modelo) acoplado a um microcontrolador Arduino/Uno (série/modelo) ligado a um computador para o acompanhamento e armazenagem dos dados. A retenção gasosa foi determinada por meio da técnica de expansão de volume, descrita por Chisti (1989), que consiste na realização de medidas do volume da coluna de líquido não aerado (VL)

3 e do volume da coluna do líquido durante a aeração (VD). A transferência de oxigênio foi avaliada a partir da determinação do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLa). Os Valores de KLa foram determinados através do método estático descrito por Moo-Young e Blanch (1989). A metodologia utilizada para determinação do diâmetro médio de bolhas foi adaptada do método descrito por Pompeo et al. (2014). 3. RESULTADOS E DISCUÇÃO O biorreator airlift construído no presente trabalho possui volume útil de 28 L. As principais dimensões relacionadas ao projeto são apresentada na Figura 2. Figura 2 - Principais dimensões do biorreator airlift projetado e construído no presente trabalho A relação entre áreas de seção transversal nas regiões descida (AD) e subida (AS), para configuração de fluxo interno, AD/AS, é igual a 0,96. A relação AD/AS, para configuração de fluxo externo, é igual a 0, Diâmetro de bolhas Foram testadas três configurações de aspersor (Figura 3), uma contendo apenas a membrana polimérica perfurada, uma contendo três fitas de alumino sobrepostas à membrana e outra contendo sobre a membrana uma placa perfurada confeccionada em alumínio. As fitas e a placa perfurada continham furos concêntricos aos da membrana. Seu emprego foi promovido com o intuito de limitar a movimentação da membrana, pois havia nesta, a formação de uma superfície convexa em relação ao meio aerado durante a aeração do sistema. A formação de tal superfície está diretamente ligada as características das bolhas geradas pelo aspersor.

4 A B C Figura 3 - Aspersor testado apenas com membrana (A), com membrana e tiras sobrepostas (B) e com membrana e placa sobreposta (C). No ensaio realizado com o aspersor operando apenas com a membrana polimérica, foram encontrados valores de diâmetro médio de bolhas (db) na magnitude de 0,8719 mm (± 0,096 mm) e o número médio de bolhas por área de imagem analisada foi de 10,25 bolhas/cm 2 (± 0,446 bolhas/cm 2 ). No ensaio realizado com o aspersor operando com a membrana polimérica e a placa de alumínio, os resultados verificados foram de db igual a 0,6600 mm (± 0,053 mm) e o número de bolhas por área de imagem analisada foi de 5 bolhas/cm 2 (± 0,135 bolhas/cm 2 ). Não foram realizados ensaios de db e quantidade de bolhas por área analisada na presença das tiras de alumínio sobrepostas à membrana, pois a quantidade de bolhas geradas pelo sistema operando nesta condição foi considerado muito abaixo das demais configurações citas. Estes resultados mostram que ao posicionar-se a placa de alumínio para impedir a formação da superfície convexa, obtém-se uma redução de 24,3% na medida de db. Contudo, a restrição à movimentação da membrana também acarretou em uma redução de 51,23% do número de bolhas geradas pelo sistema de aeração. Observou-se que a redução nos valores destes dados é causada pelo tamanho reduzido dos orifícios da membrana. A formação da superfície convexa causa um aumento no diâmetro médio dos orifícios da membrana, permitindo a maior passagem de ar. A partir dos resultados obtidos neste ensaio, optou-se por não mais utilizar a placa de alumínio sobreposta a membrana polimérica pois, como pode ser visto nos dados já citados, ela provoca a redução na quantidade de ar fornecida pelo sistema. Ruen-ngam et al. (2008) avaliaram o diâmetro de bolhas em um airlift de tubos concêntricos com relação entre áreas (AD/AS) igual a 0,661. O aspersor utilizado foi do tipo anel perfurado, em PVC, contendo 30 orifícios de 1 mm. Os autores obtiveram uma variação no diâmetro médio de bolhas de 7,1 mm (± 1,56 mm). Cerri e Badino (2010) estimaram o diâmetro médio de bolha em função de UGS para as três escalas de biorreator airlift, 2, 5 e 10 L. O aspersor utilizado foi do tipo cruzeta (duas hastes em forma de cruz), com orifícios de 0,5 mm e espaçamento de 5 mm entre eles. Os autores verificaram que db aumentou suavemente com o aumento de UGS. A faixa de variação de db para as três escalas de airlift

5 foi de 3 a 5,5 mm. Observa-se que os resultados de db do presente trabalho são inferiores aos valores experimentais encontrados na literatura, apresentando valores de menor ordem de magnitude daqueles obtidos experimentalmente em diferentes sistemas Tempo de mistura Os dados experimentais estão apresentados na Figura 4, bem como o comparativo destes como os valores pesquisados na literatura. Figura 4 Gráfico comparativo do tempo de mistura em função da variação da velocidade superficial do gás no biorreator do presente trabalho sob os regimes de circulação externa ( ) e interna ( ), com os dados obtidos por Cerri (2009) em biorreatores de 2 L ( ), 5 L ( ) e 10 L ( ) e dados obtidos por Choi, Chisti e Moo-Young (1996) em biorreator de 114 L (+). Observa-se que os valores de tempo de mistura obtidos no presente trabalho apresentam o mesmo perfil que os encontrados na literatura, ou seja, verifica-se uma relação inversa entre o tempo de mistura e a velocidade superficial do gás (UGS). Mesmo apresentando maior UGS, o regime de circulação interna, possui um tempo de mistura superior ao determinado no regime de circulação externa. A mudança na geometria do biorreator, para a troca do regime de circulação, pode ter causado interferência nos tempos de mistura (Asenjo, 1995). Ao analisar-se a geometria do biorreator construído, nota-se que a substituição do canal de retorno (circulação externa) pelo draft-tube (circulação interna) aumenta 1,5 vez a área de contato entre o meio e as paredes do airlift e consequentemente, há um aumento na perda de carga e um acréscimo nos valores do tempo de mistura. Apesar de o biorreator avaliado neste trabalho possuir volume operacional maior, apresentou, em ambas as configurações de regime de circulação, valores inferiores ao detectados por Cerri e Badino (2010) para o tempo de mistura em seu reator airlift de circulação interna com volume de operação igual a 10 L. Segundo estes autores, o tempo de mistura não depende do volume do biorreator, mas sim de suas relações geométricas que podem influenciar a perda de carga e assim interferir nos valores de tempo de mistura e circulação.

6 3.3. Retenção gasosa Em biorreatores airlift, a retenção gasosa, é um parâmetro de grande relevância a ser considerado. Ela controla o tempo de residência do gás no líquido, e em combinação com o diâmetro de bolha (db) determina a área interfacial gás-líquido (a) por onde ocorre a transferência de massa. Outro fator importante relacionado a retenção gasosa está relacionado ao projeto do biorreator, uma vez que o volume total do mesmo para qualquer faixa operacional depende da retenção gasosa máxima (Chisti e Moo-Young, 1993). Os resultados obtidos nos ensaios de retenção gasosa estão apresentados nas Figura 5. Figura 5 Valores da retenção gasosa global medida em diferentes valores de fluxo do ar nos regimes de circulação externa ( ) e interna ( ). Observa-se que a retenção gasosa no regime de circulação interna do biorreator airlift é menor que no regime de circulação externa. Este resultado pode ser explicado pela redução do número de orifícios presentes no aspersor de gases. Outra possível causa para esta discrepância diz respeito à geometria do próprio airlift que, segundo Asenjo (1995), possui influência direta nos valores de retenção gasosa. Cerri e Badino (2010) obtiveram uma variação na retenção gasosa global de 1,0 a 3,0% em biorreator de 2 L, de 1,5 a 4,0% em biorreator de 5 L e de 2,5 a 5,0% em biorreator de 10 L. Choi, Chisti e Moo-Young (1996) obtiveram uma variação de 3,5 a 8,0% na retenção gasosa global. Ruenngam et al. (2008) obtiveram uma variação de 2,5 a 8,5% na retenção gasosa global. Todos os resultados citados neste parágrafo foram obtidos em ensaios realizados em biorreatores airlift de circulação interna e o intervalo de UGS foi de 0,01 a 0,03 m/s. Observa-se, portanto, que os resultados obtido no presente trabalho são inferiores aos encontrados na literatura para a mesma faixa de UGS Coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLa) A Figura 6 apresenta os dados experimentas de KLa em função do fluxo de gás, bem como os desvios padrão verificados.

7 Figura 6 Valores do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio em função da velocidade superficial do gás na região do riser nos regimes de circulação externa ( ) e interna ( ). Cerri e Badino (2010) estimaram o KLa para um biorreator airlift de circulação interna de 6 L com diâmetro externo de 0,136 m, diâmetro do tubo interno de 0,080 m e altura de 0,600 m. O autor obteve um valor de KLa de 58 h -1 para sistema ar-água com UGS de 0,03 m/s, sendo um valor próximo ao obtido no biorreator airlift operando também com circulação interna (52 h -1 ), para o mesmo valor de UGS e também utilizando o sistema ar-água. Choi, Chisti e Moo-Young (1996) avaliaram o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio em um biorreator airlift de circulação interna de seção transversal retangular. Operando este airlift com apenas um aspersor concêntrico ao riser e contendo 30 orifícios de 0,002 m de diâmetro, os autores obtiveram um valor de KLa de 76 h -1 para sistema ar-água com UGS de 0,03 m/s. Ao substituir-se apenas o aspersor inicial por outros dois equivalentes, cada um com 15 orifícios de 0,002 m de diâmetro e posicionados em risers separados, o valor de KLa decaiu para 72 h -1, para o mesmo sistema e mesma velocidade superficial de gás. Ambos valores obtidos por Choi, Chisti e Moo-Young (1996) são muito superiores aos determinados no presente trabalho. Pedrini et al. (1996) determinaram os valores de KLa para um biorreator de circulação externa de 6,5 L com altura de 0,86 m, diâmetro de riser de 0,20 m, diâmetro de downcomer de 0,03 m e relação AD/As igual a 0,14. Os autores obtiveram um intervalo de KLa de 15 h -1 a 29 h -1 para em um sistema ar-água com UGS variando entre 0,006 m/s e 0,0157 m/s. Estes valores encontram-se muito abaixo dos determinados no presente trabalho para a mesma variação de UGS. Segundo Moo-Young et al. (1987), o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (KLa) depende da velocidade superficial de gás, da geometria do reator e também das propriedades físicas do fluido. No presente trabalho, operou-se o biorreator contendo apenas água como meio líquido, portanto, a disparidade nos valores obtidos nos ensaios deve-se às alterações na geometria do reator e na velocidade superficial do ar aspergido (UGS). Por fim, os resultados alcançados no presente trabalho mostraram-se coerentes e intermediários aos descritos na literatura consultada e citada

8 anteriormente. 5. CONCLUSÃO O regime de circulação externo apresentou melhores resultados em todos os parâmetros testados quando comparado ao regime de circulação interno. Contudo, os resultados obtidos no presente trabalho indicam que o biorreator airlift construído possui potencial de emprego em ensaios ligados a processos bioquímicos em escala semi-piloto. 4. REFERÊNCIAS ASENJO, J. A. Bioreactor system design. 1ª. ed. New York: Marcel Dekker, Inc, CAMPESI, A. Avaliação da velocidade de cisalhamento média em biorreator convencional tipo tanque agitado e aerado. p Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Centro de Ciências e Tecnologia, Programa de pós-graduação em Engenharia Química da UFSCar, São Carlos, CERRI, M. O.; BADINO, A. C. Oxygen transfer in three scales of concentric tube airlift bioreactors. The Biochemical Engineering Journal, v. 51, p , Agosto CHISTI, Y. Airlift Bioreactors. Londres: Elsevier, ; MOO-YOUNG, M. Improve the performance of airlift reactors. Chemical Engineering Progress, v. 89, p , Junho CHOI, K. H.; CHISTI, Y.; MOO-YOUNG, M. Comparative evaluation of hydrodynamic and gasliquid mass transfer characteristics in bubble column and airlift slurry reactors. The Biochemical Engineering Journal, v. 62, p , Janeiro MERCHK, J. C., M.; BLANCH, H.W. Transport phenomena and bioreactor design. Basic Biotechnology. Academic Press p PEDRINI, M. R. S. et al. Determinação do gas holdup, da velocidade de circulação do líquido e do coeficiente de transferência de massa em reator airlift com circulação externa. Anais In: V SIMPÓSIO DE HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DE BIOMASSA, Maringá, POMPEO, A. A. C. et al. Avaliação do tamanho de bolha produzido por um sparger cominco. Holos, v. 3, p. 10, RUEN-NGAM, D. et al. Influence of salinity on bubble size distribution and gas liquid. Chemical Engineering Journal, Bangkok, n. 141, p , THIEMANN, J. E. Contrução de equipamentos de fermentação. In: SCHMIDELL, W., et al. Biotecnologia Industrial: Engenharia Bioquímica. 1ª. ed. São Paulo: Edgard Blücher Ltda, v. 2, Cap. 20, p ISBN THOMASI, S. S. Avaliação de parâmetros de desempenho de três modelos de biorreatores pneumáticos de bancada. p 86. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2010.