MARCELO CALIDE BARGA MODELO DE INFERÊNCIA PARA A DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO LEITO DE UM BIORREATOR PILOTO DE FERMENTAÇÃO NO ESTADO SÓLIDO.

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1 MARCELO CALIDE BARGA MODELO DE INFERÊNCIA PARA A DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO LEITO DE UM BIORREATOR PILOTO DE FERMENTAÇÃO NO ESTADO SÓLIDO. Dissertação apresentada omo requisito parial à obtenção do grau de Mestre. Área de onentração: Engenharia de Proessos Térmios e Químios, Programa Interdisiplinar de Pós-Graduação em Engenharia PIPE. Setor de Tenologia, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. David Alexander Mithell. Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Fernando Lima Luz Jr. Curitiba 2007

2 MARCELO CALIDE BARGA MODELO DE INFERÊNCIA PARA A DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DO LEITO DE UM BIORREATOR PILOTO DE FERMENTAÇÃO NO ESTADO SÓLIDO. Dissertação apresentada omo requisito parial à obtenção do grau de Mestre. Área de onentração: Engenharia de Proessos Térmios e Químios, Programa Interdisiplinar de Pós-Graduação em Engenharia PIPE. Setor de Tenologia, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. David Alexander Mithell. Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Fernando Lima Luz Jr. Curitiba 2007 II

3 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por me ajudar nos momentos difíeis durante todo o meu aminho, prinipalmente na realização de experimentos em esala piloto que pareiam quase impossíveis de tão desafiadoras que eram num primeiro momento. Foi esse desafio que me deu motivação para trabalhar em ima desse projeto que para mim retrata a dediação de meus pais, Neusa Calide Barga e Arnaldo Torres Barga. Agradeço a essas duas pessoas que sempre me apoiaram em todas as minhas deisões, sendo os professores mais importantes que tive durante toda a minha vida, que me ensinaram muitas oisas nesse deorrer, dentre elas a importânia da família. Aos meus orientadores David Alexander Mithell e Luiz Fernando Lima Luz Jr. pelos ensinamentos durante a minha vida aadêmia, tanto teniamente omo profissionalmente. Agradeço também pela paiênia na elaboração desse trabalho e pelas onversas sobre problemas rotineiros da vida, sendo para mim pessoas que tenho omo exemplo. Em relação à paiênia, agradeço também a minha namorada Nádia Bono Gonçalves por entender minha ausênia durante esse período, pelo arinho e ompreensão que tanto me ajudaram em momentos difíeis. À Universidade Federal do Paraná e ao Programa Interdisiplinar de Pós-Graduação em Engenharia PIPE), pelo fomento e apoio para o desenvolvimento deste trabalho. Em relação aos trabalhos desenvolvidos experimentalmente agradeço meus amigos Wellington Balmant, Riardo Suzuki, Renato Segui, Giuseppe Biondi e Rodrigo Galvez pelo seu ompanheirismo e dediação. Agradeço também aos olegas do laboratório de fermentação no estado sólido Graiele Viini, Marelo Muller, Rodrigo Faria e Vivian Moure pelas disussões sobre o projeto e pela amizade durante todo esse tempo. Por fim, agradeço a todos aqueles que de alguma forma ontribuíram para a elaboração deste trabalho. III

4 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... VII LISTA DE TABELAS... X LISTA DE SÍMBOLOS... XI SÍMBOLOS GREGOS...XIII RESUMO...XIII ABSTRACT INTRODUÇÃO Objetivo e Estratégia REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Caraterístias Gerais da Fermentação em Estado Sólido Biorreatores de FES Desrições dos Biorreatores Biorreator om Agitação Oasional, sem Aeração Forçada Biorreator om Agitação Contínua, sem Aeração Forçada Biorreator om Aeração Forçada sem Agitação ou om Agitação Oasional Biorreator om Agitação Contínua e om Aeração Forçada Modelos Matemátios para Biorreatores Biorreatores om Agitação Oasional, sem Aeração Forçada Biorreatores om Agitação Contínua Lenta, sem Aeração Forçada Biorreatores om Aeração Forçada, sem Agitação ou om Agitação Oasional Biorreatores om Agitação Freqüente e om Aeração Forçada Cinétia de Cresimento do Mirorganismo Monitoramento e Controle da Fermentação em Estado Sólido Variáveis do Proesso Monitoramento On-Line através de Instrumentos Filtro de Dados Método de Inferênia Soft-Sense) IV

5 3. MATERIAL E MÉTODOS Meio de Cultivo Mirorganismo Manutenção do Mirorganismo Produção do Inóulo para o Biorreator Contagem de Esporos Determinação da Umidade Experimento para Determinação da Isoterma do Substrato Determinação do Calor Espeífio do Substrato Densidade do Substrato Porosidade do Leito do Substrato Proedimentos Operaionais Padrão Proesso de Cultivo do Fungo R. oryzae em Biorreator de Esala Piloto Sistema de Aeração e Umidifiação do Ar Limpeza do Sistema de Umidifiação Desrição do Biorreator de Esala Piloto Esterilização do Biorreator Instrumentos e Sistema para Aquisição de Dados Poisionamento e Calibração dos Termopares no Leito do Biorreator Ambiente e Sistema para Aquisição de Dados Cultivo do Fungo R. oryzae no Biorreator de Esala Piloto Preparo do Substrato Inoulação do Substrato Monitoramento Experimental da Umidade e Temperatura do Leito Agitação do Biorreator DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMÁTICO Filtro de Dados Filtro 1 - Eliminação de Medições em um mesmo Tempo Filtro 2 - Eliminação de Variações de Temperatura Menores que a Preisão dos Termopares Filtro 3 - Filtro Exponenial Filtro 4 - Média Móvel Desrição do Modelo de Inferênia V

6 4.3. Fenômenos de Transferênia de Calor e Massa Balanço de Energia Global Cálulo do Consumo de Oxigênio e Produção de Gás Carbônio Cálulo da Produção de Água pelo Mirorganismo Balanço de Sólidos Seos Atividade de Água para a Fase Sólida Atividade de Água para a Fase Gasosa Balanço de Água Global Sistema de Equações Condições Iniiais Condições de Contorno RESULTADOS E DISCUSSÃO Otimização da Produção de Esporos Isotermas dos Substratos em Diferentes Temperaturas Isoterma da Soja em Diferentes Temperaturas Isoterma do Trigo em Diferentes Temperaturas Calor Espeífio do Substrato Determinação das Densidades dos Substratos Resultados dos Experimentos Realizados no Biorreator Cultivo do Fungo R. oryzae em Soja Experimento Experimento Cultivo do Fungo R. oryzae em Trigo Moído Experimento Experimento Análise de Sensibilidade do Modelo CONCLUSÃO SUGESTÕES E TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO I ANEXO II VI

7 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. Caraterístias gerais de A) biorreatores de FES e B) estrutura do leito de substrato FIGURA 2. Esquema do biorreator em bandejas. O ar deve ser injetado preferenialmente no fundo do biorreator e irula ao redor das bandejas que ontém o substrato FIGURA 3. Esquema do biorreator de tambor rotativo FIGURA 4. Esquema do biorreator de tambor agitado através de pás. Um motor gira a haste que ontém as pás que misturam o substrato FIGURA 5. Esquema do biorreator de leito fixo. O ar é injetado no fundo do biorreator passando através do leito do substrato FIGURA 6 - Biorreator Zymotis. O ar é injetado na base e passa através do leito. O leito do substrato fia entre plaas onde é irulada água para o resfriamento do leito FIGURA 7. Esquema do biorreator de leito meaniamente agitado. O entro é agitado por um misturador meânio enquanto o ar é injetado através do leito FIGURA 8. Esquema do biorreator de leito fluidizado. O ar é injetado no fundo do biorreator em veloidade sufiientemente alta para manter as partíulas do substrato suspensas FIGURA 9. Esquema para manutenção do fungo R. oryzae FIGURA 10. Proedimento para otimização da produção de esporos FIGURA 11. Câmara de NeuBauer FIGURA 12. Contagem de esporos na âmara de NeuBauer em zig-zag FIGURA 13. Materiais utilizados na determinação da isoterma FIGURA 14. Experimento para determinação da porosidade FIGURA 15. Sistema de filtração do ar FIGURA 16. Sistema de umifiação do ar FIGURA 17. Representação do biorreator FIGURA 18. Disposição dos módulos de termopares no biorreator na vertial FIGURA 19. ) Disposição dos termopares no biorreator ao longo do eixo horizontal FIGURA 20. Tela prinipal do programa de aquisição de dados FIGURA 21. Gráfios dos resultados de monitoramento do ar de entrada e saída FIGURA 22. Gráfio das temperaturas obtidas de ada termopar FIGURA 23. Configuração de endereço e alibração dos sensores VII

8 FIGURA 24. Inoulação dos esporos no biorreator FIGURA 25. Seqüênia de oleta de amostra para uma mesma posição FIGURA 26. Coleta da amostra FIGURA 27. Fluxograma dos filtros de dados em série FIGURA 28. Fenômenos de transporte de energia e massa que oorrem no sistema FIGURA 29. Esquema de utilização dos balanços de massa e energia para estimar a umidade do leito a partir das temperaturas medidas on-line FIGURA 30. Isoterma da soja em diferentes temperaturas. ) umidade a 35 C, ) modelo a 35 C, ) umidade a 45 C, - - -) modelo a 45 C, ) umidade a 55 C, - ) modelo a 55 C FIGURA 31. Isoterma do trigo moído em diferentes temperaturas. ) umidade a 35 C, ) modelo a 35 C, ) umidade a 45 C, - - -) modelo a 45 C, ) umidade a 55 C, - ) modelo a 55 C FIGURA 32. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada FIGURA 33. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) umidade a 33 m, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0, FIGURA 34. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada FIGURA 35. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) umidade a 5 m, ) umidade pelo modelo a 5 m. R = 0, FIGURA 36. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) umidade a m, ) umidade pelo modelo a 18 m. R = 0, FIGURA 37. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. Δ) umidade a m, )umidade a m, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0, FIGURA 38. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada FIGURA 39. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a 33 m, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0, VIII

9 FIGURA 40. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) temperatura a 5 m, ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada FIGURA 41. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a 0-5 m, )umidade a 5-10 m, ) umidade pelo modelo a 5 m. R = 0, FIGURA 42. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a m, )umidade a m, ) umidade pelo modelo a 18 m. R = 0, FIGURA 43. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a m, )umidade a m, Δ) umidade a m, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0, IX

10 LISTA DE TABELAS TABELA 1. Valores de amostragem de variáveis no tempo TABELA 2. Atividades de água de soluções insaturadas de NaCl para diferentes onentrações: valores propostos omo padrões na faixa de C TABELA 3. Conentração de esporos nas soluções A, B e C TABELA 4. Valores das onstantes da equação da isoterma para soja Eq. 30), seção 4.8) TABELA 5. Valores das onstantes da equação da isoterma para o trigo moído Eq. 30), seção 4.8) TABELA 6. Calor espeífio para a soja TABELA 7. Calor espeífio para o trigo moído TABELA 8. Densidades aluladas para a soja bipartida e para o trigo moído TABELA 9. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 1 om soja TABELA 10. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 2 om soja TABELA 11. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 1 om trigo moído. 83 TABELA 12. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 2 om trigo moído. 87 TABELA 13. Avaliação da sensibilidade do modelo em relação a variações da isoterma da soja TABELA 14. Avaliação da sensibilidade do modelo em relação a variações da isoterma do trigo X

11 LISTA DE SÍMBOLOS a wg = atividade de água da fase gasosa; C 1, C 2, C 3, C 4, C 5 = onstantes que serão determinadas através dos experimentos por regressão multivariável. p g = alor espeífio do ar seo J. kg -1. C -1 ); p S = alor espeífio do substrato seo J. kg -1. C -1 ); p s = alor espeífio do substrato úmido J. kg -1. C -1 ); úmido p v = alor espeífio do vapor de água J. kg -1. C -1 ); p w = alor espeífio da água J. kg -1. C -1 ); G = fluxo mássio de ar kg-ar.m -2.s -1 ); H sat = umidade de saturação kg-água.kg-ar -1 ); m s úmido = massa do substrato úmido kg); m w = massa da água kg); MCO 2 = massa molar do gás arbônio 44g. mol -1 ); MH 2 O = massa molar da água 18 g. mol -1 ); P = pressão da fase gasosa Pa) P w sat = pressão parial de saturação da fase gasosa Pa). Q = alor metabólioj.m -3 ); S = massa de substrato ontido no leito kg - subst. - seo. m -3 ); T = temperatura de equilíbrio C); T a = temperatura ambiente em que se enontrava a soja C); T eq = temperatura final de equilíbrio C); T f1 t,z)= temperatura filtrada obtida do primeiro filtro C); T f2 t,z)= temperatura filtrada obtida do segundo filtro C); T f3 t,z)= temperatura filtrada obtida do tereiro filtro C); T f4 t,z)= temperatura filtrada obtida do quarto filtro C); T g = temperatura da fase gasosa ºC); XI

12 T quente = temperatura da água quente C); W = água produzida pelo metabolismo kg - água. m -3 ); x = volume de água aima do volume oupado pelo leito de substrato ml); Y CO 2 / O = taxa de onversão do oxigênio em gás arbônio mol CO 2 2. mol -1 O 2 ); Y Q / O 2 = taxa de onversão em alor metabólio a partis do onsumo de oxigênio J. H 2 O. mol -1 O 2 ); Y W / O 2 = taxa de onversão do oxigênio em água metabólia mol H 2 O. mol -1 O 2 ); z = altura do leito no biorreator m); XII

13 SÍMBOLOS GREGOS * s = água ontida na fase sólida quando em equilíbrio om a fase gasosa kg-água. kgsubstrato-seo -1 ); S = umidade da fase sólida kg - água. kg - subst. - seo -1 ); g = umidade da fase gasosa kg-água. kg-ar-seo -1 ); = porosidade do leito m 3 -espaço-vazio. m -3 ); = entalpia de evaporação da água J. kg-água -1 ); g = densidade da fase gasosa kg-ar-seo. m -3 ); su = densidade do substrato úmido kg-substrato-úmido. m -3 ); XIII

14 RESUMO O proesso de fermentação no estado sólido FES) tem sido usado omo uma ténia em potenial para produzir alguns ompostos mirobianos om mais efiiênia do que a fermentação submersa FS). Por exemplo, em FES, a produção de esporos é mais elevada, os esporos são também mais infeiosos do que os esporos produzidos por FS e podem ser usados omo biopestiidas. Entretanto, pouos proessos foram estudados e apliados industrialmente devido a problemas de otimização e ontrole. Este proesso apresenta muitos problemas do ontrole tais omo a difiuldade de ontrolar a temperatura e a umidade do leito de um biorreator piloto de FES. Conseqüentemente, para superar o aumento da temperatura em biorreatores em grande esala, pode ser apliado o resfriamento evaporativo devido à remoção limitada do alor o que resulta em grandes perdas de umidade. Para manter a umidade neessária no leito, a umidade dos sólidos deve ser monitorada ontinuamente online para a adição de uma quantidade de água neessária para forneer ondições ótimas de resimento. Embora, é difíil e aro ter uma medida on-line da umidade do leito. Então, este trabalho onsistiu desenvolver um modelo dinâmio indireto que usasse a equação de balanço de massa e de energia para estimar a umidade do leito de um biorreator de esala piloto om aeração forçada e agitação intermitente a partir das temperaturas monitoradas on-line da fase sólida e da fase gasosa. Para utilização deste modelo, foi neessário determinar as propriedades dos substratos, onsistindo em soja ou trigo moído, os quais foram utilizados em ada experimento de ultivo do fungo Rhizopus oryzae. As isotermas dos substratos usados nos experimentos foram ajustadas para diferentes temperaturas e a influênia do onteúdo de biomassa não foi onsiderada. O modelo onsidera que oorre equilíbrio da atividade de água e temperatura entre o ar interpartíula e as partíulas do substrato dentro do leito, om a saturação da fase gasosa. Para os experimentos de ultivo do mirorganismo em soja, foram obtidas orrelações em relação as umidades previstas pelo modelo de aproximadamente 0,19 para a base do leito, 0,85 para o meio do leito. Nos experimentos utilizando trigo moído omo substrato, a orrelação entre as umidades experimentais e as obtidas a partir do modelo foi próxima a 0,40 para a base e topo do leito e de 0,82 para o meio do leito. Para os experimentos, o modelo superestimou as perdas de água. Durante as fases iniiais de ultivo o erro em relação às estimativas era menor e om erros maiores nos últimos estágios da fermentação, geralmente após misturar o leito. A suposição da saturação da fase gasosa ao longo do leito assumida pelo modelo não está ompletamente orreta. Finalmente, este modelo pode ser utilizado na estimativa indireta da umidade do leito, mas deve ser validado om outros experimentos através do monitoramento das variáveis respirométrias que também são previstas pelo modelo. Algumas onsiderações feitas pelo modelo proposto devem ser revistas, omo a saturação do leito, mas o método de inferênia para a umidade do leito deve ser onsiderado omo uma forma de estimar as variáveis-haves do proesso que não possuem sensores para um monitoramento on-line onfiáveis. 1

15 ABSTRACT Solid state fermentation SSF) proess has been used as a potential tehnique to produe some mirobial ompounds with more effiieny than submerged fermentation SF). For example, the prodution in SSF is higher and the spores are also more virulent than SF and an be used as biopestiides. However, few proesses have been studied and applied industrially beause of optimization and ontrol problems. Atually, this proess has many ontrol problems suh as the diffiulty of ontrolling the bed temperature and the moisture ontent of a pilot solid state bioreator. Therefore, to overome the inrease of the temperature in large-sale solid state bioreators, evaporative ooling has to be applied due to the limited heat removal and results in large moisture losses. To maintain the neessary water in the bed, the moisture ontent of the solids must be monitored ontinuously on-line for the addition of an amount of neessary water to give optimal onditions of growth. Although, it is diffiult and expensive to measure the bed moisture ontent on-line. So, this work onsisted to develop an indiret dynami measurement model that used equation of mass and energy balanes to estimate the moisture ontent of the bed of a pilot-sale bioreator with fored aeration and intermittent agitation by the on-line monitored temperatures of solid and gas phase. In order to use this model, was neessary to determine the properties of the substrates, onsisting by soybeans or grinded wheat grains, whih were used in eah experiment of ultivation of the fungi Rhizopus oryzae. The isotherms of the substrates used in the experiments were adjusted for different temperatures and didn t inlude the influene of biomass ontent. The model assumed the water ativity and thermal equilibrium between the inter-partile air and the solid substrate partiles within the bed, with the saturation of the gas phase. For the experiments whih onsisted the growth of the miroorganism on soybeans, was obtained a orrelation of 0,19 for the bottom of the bed and 0,85 for the middle of the bed, between the moisture ontent of the bed and the moisture ontent predited by the model. For the experiments whih used wheat grains as substrate, the orrelation between the moisture ontent of the bed and the moisture predited by the model was 0,40 for the bottom of the bed and 0,82 for the middle of the bed. For these experiments, the model overestimated the water losses. During latter phases the estimation error was smaller and inreased in the earlier stages of the fermentation, generally after the mixing event. The assumption of the saturation of the gas phase along the bed was not ompletely orret. Finally, this model am be used in the indiret estimation of bed moisture, but the model must be validated with other experiments and by monitoring the respirometri variables that is also predited by the model. Some onsiderations used by the model must be revised, as the saturation of the bed, but the method of indiret measurement of the bed moisture must be onsidered as an alternative to estimate the key variables of the proess that don t have sensors for adequate on-line measurement. 2

16 1. INTRODUÇÃO O proesso de fermentação em estado sólido FES) envolve o resimento de mirorganismos sobre materiais sólidos na ausênia ou quase ausênia de água livre entre as partíulas sendo que o espaço interpartíulas é preenhido por uma fase gasosa ontínua. Esta é a prinipal araterístia que torna esse sistema totalmente diferente da fermentação submersa FS) que possui somente uma fase líquida ontínua. Em ertos asos, a FES tem o potenial de produzir um número de produtos biotenológios om maior efiiênia que a tradiional FS. Por exemplo, na produção de esporos fúngios utilizados omo biopestiidas, não somente o rendimento dos esporos é mais elevado em FES do que em FS BOYETTE et al., 1991) omo também os esporos produzidos são mais robustos e mais virulentos que os esporos produzidos em FS MORIN, 1992). Outro exemplo é a produção de enzimas fúngias om maiores rendimentos em sistemas de FES PANDEY et al. 2000). Entretanto, a respeito deste potenial, relativamente pouos proessos estudados em laboratório têm sido omerializados om suesso. O maior problema para realizar a transferênia desta tenologia para biorreatores de larga esala está na difiuldade de ontrolar e manter as ondições ótimas neessárias para um bom resimento do mirorganismo e formação de produto no leito do substrato em um biorreator industrial. A temperatura do leito pode ser onsiderada neste sistema a variável mais rítia de se ontrolar, pois é difíil evitar o seu aumento signifiativo que oorre devido às limitações na efiiênia da remoção do alor metabólio gerado pelo mirorganismo durante a fase de resimento. Com isso, a temperatura do leito pode alançar valores que afetam o mirorganismo. Na maior parte dos asos o projeto e a operação dos biorreatores de FES são feitos através do método de tentativa e erro, resultando em proessos de baixa efiiênia e gastos desneessários. Desta forma, existe uma neessidade urgente de desenvolver estratégias raionais para otimizar o projeto e a operação de biorreatores de FES, visando aumentar a efiiênia dos proessos e, assim, torná-los eonomiamente viáveis. Estas estratégias devem ser baseadas em modelos matemátios que desrevam as interações entre os fenômenos físios e biológios no biorreator. Tais modelos já são apliados a FS há muitos anos KOSSEN e OOSTERHUIS, 1981). Em ontraste, a modelagem de biorreatores 3

17 de FES omeçou somente em 1990 e ainda muitos aprimoramentos são neessários antes que os modelos sejam ferramentas verdadeiramente úteis no projeto de biorreatores de FES MITCHELL et al., 2000a, 2002). Os modelos matemátios para biorreatores preisam onsistir em submodelos que desrevam os balanços de massa, energia e um submodelo que desreva a inétia de resimento do mirorganismo. Os submodelos de balanço de massa e energia desrevem o transporte de massa e energia no leito, no headspae e nas paredes do biorreator. O submodelo de inétia de resimento deve desrever omo esta inétia é afetada por diversas variáveis omo temperatura, ph e atividade de água. Então, a temperatura deve ser onsiderada uma variável-have na otimização do desempenho de biorreatores de FES, pois pode ser influeniada por sistemas de ontrole IKASARI et al., 1999). Estudos apontam que a melhor maneira de manter a temperatura em valores ideais é através da agitação do leito ou de uma orrente de ar resfriado atravessando o leito ASHLEY et al., 1999). Por outro lado, quando se utiliza uma orrente de ar resfriado fluindo através de um leito estátio, para ontrole da temperatura, isso pode sear o leito e diminuir a atividade de água até valores que limitam o resimento do mirorganismo. Além de não ser tão efiiente, devido à passagem unidireional do fluxo provoada pela dinâmia da onveção, aaba formando gradientes de temperatura ao longo do leito NARAHARA et al., 1984). A agitação, além de olaborar no ontrole da temperatura, pode também ajudar na homogeneização do leito, mas pode inviabilizar fermentações que utilizem fungos filamentosos por infligir tensões de isalhamento que aabam danifiando as hifas. Com isso, pode-se utilizar um método misto de ontrole de temperatura, empregando uma orrente de ar resfriado durante o proesso, e eventos de agitação quando o teor de umidade em determinados pontos atingir valores indesejados. Este método misto aproveita a efiiênia dos dois métodos e reduz os impatos da agitação no resimento do mirorganismo, pois esta oorre menos vezes durante o proesso em relação ao método utilizando somente agitação. Entretanto, para implementar esta estratégia, é neessário monitorar o teor de umidade do leito ao longo do proesso para detetarmos alterações nesta variável que possam indiar valores de umidade prejudiiais à fermentação. Com este monitoramento podemos realizar 4

18 alguma ação preventiva antes que a atividade de água alane valores limitantes para o resimento do mirorganismo. Atualmente este monitoramento não é possível em tempo real em proessos de FES, pois, para tal, seria neessária à onstrução de perfis temporais e espaiais da umidade do leito a partir de amostras retiradas do leito. Neste aso, seriam neessárias várias horas para a determinação da umidade do leito o qual não permite ações de ontrole em tempo adequado. Outra possibilidade seria monitorar a temperatura e a umidade relativa do ar, mas os sensores existentes no merado não têm sensibilidade para monitorarem adequadamente umidades de ar próximas à saturação durante longos períodos. Para ontornar este problema, pode-se monitorar on-line outras variáveis omo a temperatura do ar de entrada e a temperatura em diferentes alturas do leito e, a partir destes dados, utilizar um modelo matemátio para estimar a atividade de água em função do tempo e da altura do leito Objetivo e Estratégia Esta dissertação almeja ontribuir om o desenvolvimento da tenologia de biorreatores utilizados para fermentação em estado sólido FES) que apresenta difiuldades no monitoramento e ontrole de parâmetros do proesso, tais omo a temperatura e a atividade de água, próximo aos valores ótimos para o resimento do mirorganismo. O objetivo prinipal deste trabalho foi desenvolver um modelo matemátio que permita estimar a umidade on-line da fase sólida em diferentes alturas do leito. Para isso, foram utilizados os valores obtidos da temperatura na entrada do ar e do leito durante o ultivo do fungo Rhizopus oryzae ATCC em um biorreator de FES em esala piloto. Os experimentos, para aquisição de dados para validação do modelo matemátio, foram realizados no Laboratório de Desenvolvimento e Otimização de Proessos Bioquímios ProBio), do programa de Pós-Graduação em Engenharia PIPE) na Universidade Federal do Paraná UFPR), onde foi onstruído um biorreator de esala piloto om aeração forçada e agitação intermitente, tendo apaidade para um leito de aproximadamente 120 kg a 160 kg de substrato úmido. 5

19 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Nesta revisão será abordada a importânia da FES omo uma ténia de produção biotenológia. Posteriormente, serão mostrados os tipos de biorreatores utilizados nos proessos de FES, destaando suas araterístias, limitações e modelagem matemátia. A omparação destes biorreatores mostrará que o biorreator que foi onstruído pelo grupo possui um bom potenial para promover ondições favoráveis ao resimento do mirorganismo. Finalmente, serão demonstradas as estratégias de monitoramento e ontrole das variáveis do proesso omo a temperatura e umidade do leito e a neessidade de se utilizar um método on-line para estimar a umidade do leito indiretamente através do monitoramento das temperaturas no leito Caraterístias Gerais da Fermentação em Estado Sólido Atualmente, a maioria dos proessos de fermentação podem ser divididos entre fermentação no estado sólido FES) e fermentação submersa FS). A diferença entre estes dois bioproessos onsiste na quantidade de líquido livre presente no sistema. A FES envolve o resimento de mirorganismos em partíulas de substrato sólido onde grande parte da água está absorvida dentro das partíulas om quantidade de água livre entre as partíulas muito baixa, enquanto em FS o mirorganismo rese dentro de uma fase líquida ontínua. Devido à baixa quantidade de água disponível na FES, pode oorrer a formação de produtos espeífios que não seriam produzidas na FS. Além disto, para ertos produtos que podem ser obtidos por ambas ténias de fermentação, a FES apresenta maior produtividade volumétria e maior rendimento em relação à FS MOO-YOUNG; MOREIRA; TENGERDY, 1983). Na indústria, a ténia de FES é apliada em alguns segmentos omo: Indústria alimentíia: produção de enzimas, áidos orgânios, aromas e outras substânias de interesse; Indústria Farmaêutia: um número pequeno de antibiótios é produzido por FES; Agroindústria: produção de biopestiidas. A FES é preferida para a produção de biopestiidas, pois o rendimento dos esporos fúngios é maior quando omparado om a FS; 6

20 Desintoxiação biológia: Alguns resíduos agro-industriais são tóxios, omo a asa da mandioa, e a FES tem sido utilizada reentemente para desintoxiar estes resíduos. Nesses proessos de FES utilizados na indústria, podem ser utilizados substratos de origem natural, omo resíduos agro-industriais, e sintétios, entretanto, geralmente são utilizados ereais, inteiros ou quebrados, de aordo om as habilidades degradativas do mirorganismo utilizado. De qualquer forma, as araterístias gerais do material sólido utilizado na FES são que: 1) este se onstitui de um material poroso, 2) a matriz deve absorver água, 3) a matriz sólida deve resistir à ompressão ou leves agitações, e 4) a matriz deve ser apaz de absorver ou onter fonte disponível de alimento ao mirorganismo tais omo arboidratos elulose, amido, açúar), fontes de nitrogênio amônia, uréia, peptídeos) e sais minerais RAIMBAULT, 1998). O biorreator é o loal onde oorre o proesso de fermentação, onde são adiionados o substrato e o inóulo para posterior retirada do produto. Através dele proura-se forneer ondições ambientais mais favoráveis para o resimento dos mirorganismos e para a formação do produto, tentando ontrolar prinipalmente a temperatura e a umidade do leito. Visando ilustrar este proesso, a FIGURA 1 mostra um biorreator do tipo tambor rotativo tipiamente utilizado e a estrutura físia do leito. Estes proessos omumente envolvem fungos filamentosos, que são bem adaptados em sólidos umedeidos, uma vez que isto imita seu niho na natureza. Parede do Biorreator Headspae Leito de Substrato A) FIGURA 1. Caraterístias gerais de A) biorreatores de FES e B) estrutura do leito de substrato. B) Poros Partíula ~1mm) Hifa 10 µm) Entretanto, é difíil ontrolar as ondições do leito do biorreator nos valores ótimos para o resimento do mirorganismo e a produção de metabólitos. Este problema é resultado das 7

21 limitações de transferênia de massa e de alor dos leitos sólidos MITCHELL et al., 2000a) e do design do biorreator utilizado. No passado, grande parte dos biorreatores de FES foi onstruída na forma de tentativa e erro o que resultou em proessos de baixa produtividade LONSANE et al., 1992). O maior desafio na onstrução dos biorreatores é evitar que a temperatura alane valores altos e também evitar que o leito seque a ponto de prejudiar o resimento do mirorganismo. Para desenvolver estratégias para a manutenção de ondições adequadas ao resimento do mirorganismo nos biorreatores, é neessária a utilização dos modelos matemátios. A função dos modelos matemátios é desrever os fenômenos de transferênia de alor e massa que oorrem no biorreator e om isso prever o omportamento do leito do substrato. Após a validação dos modelos a partir de dados reais obtidos no biorreator, estes modelos poderão ser utilizados omo ferramentas para guiar a onstrução e otimização de biorreatores em esalas maiores Biorreatores de FES Os biorreatores de fermentação em estado sólido podem ser lassifiados através das estratégias de operação em relação aos regimes de agitação e aeração MITCHELL et al., 2006): a) Biorreator om agitação oasional, sem aeração forçada. Este grupo inlui as bandejas. b) Biorreator om agitação ontínua, sem aeração forçada. Este grupo inlui tambores rotativos e tambores agitados, nos quais o ar é introduzido somente no headspae do biorreator. ) Biorreator om aeração forçada sem agitação ou om agitação oasional. Este grupo inlui leitos fixos agitados intermitentemente em que o leito do substrato está sobre uma base perfurada, om ar sendo forçado através do leito. d) Biorreator om agitação freqüente e om aeração forçada. Este grupo inlui várias geometrias. Também é possível que o leito seja agitado meaniamente ou pela aeração omo no aso dos biorreatores de leito fluidizado. 8

22 Através dessa proposta de lassifiação os biorreatores podem ser divididos em grupos de aordo om a maneira que a fermentação é onduzida e operada Desrições dos Biorreatores Biorreator om Agitação Oasional, sem Aeração Forçada O reator em bandeja, mostrado na FIGURA 2, onstitui-se de uma âmara que ontém várias bandejas individuais, sendo que ada bandeja ontém uma amada de substrato estátio e não possui aeração forçada. O ar que irula dentro do biorreator ao redor das superfíies das bandejas remove o alor e o dióxido de arbono por onveção e transporta o oxigênio para a superfíie do leito da bandeja. AR AR FIGURA 2. Esquema do biorreator em bandejas. O ar deve ser injetado preferenialmente no fundo do biorreator e irula ao redor das bandejas que ontém o substrato. Os leitos que omportam os substratos não devem possuir uma espessura superior a 5 m, pois omo não há passagem de ar através do leito, que permanee estátio durante a fermentação, om agitação manual feita somente oasionalmente, oorre a presença de gradientes de temperatura e om uma espessura pequena é mais fáil prevenir temperaturas altas na bandeja. O uso de saos plástios perfurados, ao invés de bandejas de madeira ou vime, é uma inovação nos biorreatores em bandeja, pois permite a troa de gases do leito do substrato e da atmosfera ambiente e pode prevenir a ontaminação por batérias e esporos de fungos HARDIN; MITCHELL, 1998). A ampliação de esala deste biorreator pode ser feita 9

23 somente aumentando-se o número de bandejas, mas isto também aumenta o usto da mão de obra, o que pode tornar o proesso inviável Biorreator om Agitação Contínua, sem Aeração Forçada Os tambores rotativos mostrados na FIGURA 3 e os tambores agitados mostrados na FIGURA 4 são onstituídos de um tambor om o eixo horizontal ou levemente inlinado que possui um leito de substrato ujo volume é de aproximadamente um terço do volume do tambor. A diferença entre os tambores rotativos e os agitados é que no tambor rotativo o orpo do tambor é revolvido para agitar o leito, enquanto que no tambor agitado o orpo do tambor permanee estátio e o leito é misturado por um agitador instalado num eixo entral que gira dentro do tambor. AR Headspae AR Substrato FIGURA 3. Esquema do biorreator de tambor rotativo. AR Headspae AR Substrato FIGURA 4. Esquema do biorreator de tambor agitado através de pás. Um motor gira a haste que ontém as pás que misturam o substrato. A aeração é feita através da introdução de ar diretamente no headspae. Simultaneamente ao ar injetado oorre a agitação do leito através da rotação do tambor ao redor do seu próprio eixo ou através da agitação por pás. 10

24 O uso dos biorreatores deste grupo é restringido pela inefiiênia de transferênia de massa e alor entre o leito e o headspae. A veloidade de transferênia pode ser melhorada no tambor rotativo pela introdução de hianas no interior dos tambores FUNG; MITCHELL, 1995). Estes reatores podem ser failmente adaptados para operações ontínuas, tendo potenial para aumentar a produtividade em grande esala KHANAHMADI et. al, 2006) Biorreator om Aeração Forçada sem Agitação ou om Agitação Oasional A araterístia básia deste grupo é a introdução de ar através de uma peneira que suporta o substrato, onforme é mostrado na FIGURA 5, e o leito fia estátio durante toda a fermentação ou durante a maior parte da fermentação DURAND; CHEREAU, 1988). AR Headspae Substrato FIGURA 5. Esquema do biorreator de leito fixo. O ar é injetado no fundo do biorreator passando através do leito do substrato. AR O desenho mais avançado do leito fixo ontém pratos internos de transferênia de alor onforme é mostrado pela FIGURA 6, omo uma forma de tentar evitar os problemas om altas temperaturas omumente enontradas em biorreatores de leito fixo HARDIN; MITCHELL, 1998, ROUSSOS et al., 1993). 11

25 Substrato AR Headspae Água de resfriamento AR FIGURA 6 - Biorreator Zymotis. O ar é injetado na base e passa através do leito. O leito do substrato fia entre plaas onde é irulada água para o resfriamento do leito Biorreator om Agitação Contínua e om Aeração Forçada Os biorreatores deste grupo inluem reatores de várias geometrias e modos de operação, sendo inluídos neste grupo pelo fato do leito ser agitado ontinuamente e aerado forçadamente. Os reatores podem ser distinguidos om base no método de agitação, sendo: Leito meaniamente agitado: neste biorreator o sólido permanee sobre uma base perfurada na qual o ar está sendo injetado, enquanto um agitador mistura o leito, onforme é mostrado na FIGURA 7. Headspae AR Substrato AR FIGURA 7. Esquema do biorreator de leito meaniamente agitado. O entro é agitado por um misturador meânio enquanto o ar é injetado através do leito. 12

26 Leito fluidizado: neste biorreator o ar é injetado numa veloidade sufiiente para manter em suspensão as partíulas de substrato, onforme é mostrado na FIGURA 8. Devido à grande vazão do ar, a remoção de alor do leito não é problemátia, mas o uso de leitos fluidizados implia em altos ustos de operação. Headspae AR Substrato AR FIGURA 8. Esquema do biorreator de leito fluidizado. O ar é injetado no fundo do biorreator em veloidade sufiientemente alta para manter as partíulas do substrato suspensas Modelos Matemátios para Biorreatores Biorreatores om Agitação Oasional, sem Aeração Forçada. Os modelos matemátios para a onstrução de biorreatores em bandeja inluem desrições da transferênia de oxigênio e alor dentro do leito. Estes modelos onfirmam que o leito deve ser limitado a uma espessura de no máximo 5 m para que haja uma adequada remoção de alor para que não interfira no resimento do mirorganismo. Neste aso, a transferênia de O 2 não é um fator limitante para o resimento, visto que a limitação da difusividade do O 2 depende da porosidade do leito e a limitação da temperatura depende da ondutividade térmia. RAJAGOPALAN; MODAK, 1995) Biorreatores om Agitação Contínua Lenta, sem Aeração Forçada. Os modelos matemátios para tambores rotativos foram onstruídos admitindo-se que dentro do leito o ar e o sólido estão em equilíbrio. Um modelo desenvolvido para um tambor rotatório onsidera que o ar injetado no headspae do biorreator possui um padrão de fluxo uniforme MITCHELL et al., 2002a). Um outro modelo desenvolvido admite que o leito e ar 13

27 no biorreator são fases individualmente bem misturadas STUART e MITCHELL, 2003). Porém, estudos de padrão de fluxo mostraram que a fase gasosa não é bem misturada e não tem fluxo uniforme HARDIN; HOWES; MITCHELL, 2001). Para o modelo desrever orretamente a transferênia de massa e alor entre o leito e o headspae, é neessário inorporar uma desrição matemátia do padrão de fluxo na fase gasosa HARDIN; HOWES; MITCHELL, 2002). Para as partíulas sólidas no leito, o padrão de fluxo pode ser desrito por um método omputaional hamado de modelagem de partíula disreta SCHUTYSER et al., 2001 e 2002). Este método rastreia a posição de ada partíula de substrato sólido e pode ser usado para prever padrões de fluxo das partíulas no leito devido à rotação de um tambor ou à ação de um agitador interno. Estes modelos podem ser estendidos para desrever a transferênia de massa e alor SCHUTYSER et al., 2003), mas esta abordagem torna-se difíil uma vez que o programa demora semanas para ser exeutado, sendo que durante este tempo seria possível realizar vários ultivos experimentais Biorreatores om Aeração Forçada, sem Agitação ou om Agitação Oasional O primeiro modelo matemátio para biorreatores de tipo leito fixo desenvolvido baseava-se na remoção de alor apenas por ondução radial SAUCEDO-CASTANEDA et al. 1990). Este modelo foi posteriormente estendido para também inluir a remoção de alor por ondução axial, transferênia por onveção e evaporação SANGSURASAK; MITCHELL, 1995). Este modelo foi validado experimentalmente SANGSURASAK; MITCHELL, 1998) e foi feita uma previsão para avaliar o desempenho do biorreator em grande esala, baseada nas temperaturas alançadas pelo leito MITCHELL et al., 1999). Este modelo foi estendido para inluir o balanço de água WEBER et al., 1999) e posteriormente foi validado experimentalmente em diferentes ombinações de mirorganismos e substratos WEBER et al., 2002). Outro modelo matemátio foi feito para o reator hamado Zymotis, que é um tipo de biorreator de leito fixo om plaas internas para remoção de alor MITCHELL; VON MEIEN, 2000). As previsões do modelo foram analisadas para determinar o espaçamento ótimo entre as plaas internas. Através das previsões foi verifiado que um espaçamento de 5 14

28 m é adequado para promover uma boa remoção de alor pelas plaas MITCHELL; BEROVIC; KRIEGER, 2002). Estes modelos para os biorreatores deste grupo foram feitos onsiderando a umidade relativa em 100%, em que o ar permanee em equilíbrio om o sólido, mas quando realizado experimentalmente verifiou-se que esta situação não oorre, sendo que a umidade relativa do ar de saída é de aproximadamente 90% durante a fase de maior resimento do mirorganismo WEBER et al., 2002). Então, outro modelo foi desenvolvido o qual não onsidera o equilíbrio das fases gasosa e sólida, mas que inorpora equações para desrever a transferênia de alor e massa entre a fase sólida e a fase gasosa interpartíulas VON MEIEN e MITCHELL, 2002). Também neste modelo foi permitido que houvesse eventos de agitação intermitente. Com relação aos modelos para reatores do tipo leito fixo, algumas melhorias ainda preisam ser feitas. Pois, nenhum dos modelos leva em onta o efeito no fluxo do ar, tal omo a perda de arga, que provem do enhimento dos espaços interpartíula om a biomassa mirobiana que se desenvolve na superfíie das partíulas ao longo do ultivo Biorreatores om Agitação Freqüente e om Aeração Forçada Existem pouos modelos que tratam dos balanços de energia para os biorreatores deste grupo. Um modelo de tambor rotativo om agitação freqüente e aeração forçada foi proposto tratando o balanço de energia no proesso para um sistema bem misturado SARGANTANIS et al., 1993). Um outro modelo para um leito agitado intermitentemente foi proposto posteriormente, porém om agitações mais freqüentes ASHLEY, MITCHELL e HOWES, 1999). Esse modelo foi utilizado para investigar a freqüênia de eventos de agitação que é neessária para que não haja problemas de altas temperaturas alançadas no biorreator. Com isso foi verifiado que misturas de 10 a 60 vezes por hora proporionavam temperaturas máximas mais baixas no leito, mas a freqüênia de agitação depende da veloidade de resimento do mirorganismo. Todos os modelos deste grupo onsideram equilíbrio entre a fase gasosa e sólida, mas isto pode não oorrer na prátia, prinipalmente porque o ar injetado nas perfurações das plaas 15

29 pode não permaneer saturado ao passar pelo leito até sua exaustão. Assim, é neessário desenvolver um modelo inluindo a transferênia de massa e alor entre as fases, e isto pode ser obtido utilizando-se omo base os modelos desenvolvidos para leitos fixos om agitação intermitente VON MEIEN e MITCHELL, 2002) Cinétia de Cresimento do Mirorganismo O resimento do mirorganismo afeta o desempenho do biorreator através da produção de alor e água metabólia, portanto uma desrição adequada do resimento é importante nos modelos utilizados para os biorreatores. A maioria dos modelos utiliza equações empírias para desrever o resimento do mirorganismo devido à sua simpliidade. A equação logístia é a mais utilizada nos modelos para os biorreatores, por se ajustar de maneira aeitável na maioria dos dados experimentais VICCINI; MITCHELL; KRIEGER, 2001). Devido aos problemas de retirada de alor do biorreator, as equações empírias devem desrever o efeito das variações temporais da temperatura no resimento do mirorganismo. Para isso, os modelos matemátios desrevem o efeito da temperatura na taxa de resimento espeífio. Neste aso, a determinação da equação tem sido feita ultivando-se ulturas do mirorganismo em diferentes temperaturas, om ada ultura sendo exposta a uma temperatura onstante durante todo o resimento SMITS, et al. 1998). Entretanto, essas não são as ondições experimentadas pelo mirorganismo no biorreator onde oorrem grandes variações na temperatura durante todo o proesso. Portanto, foi desenvolvido um modelo que desreve o efeito da temperatura no resimento através da desnaturação de um omponente essenial ontido dentro da élula de um fungo. Esse modelo obteve um bom ajuste aos dados experimentais quando o fungo foi submetido a variações de temperatura durante o ultivo. Com isso, omo é difíil monitorar o resimento do mirorganismo sobre substratos sólidos, a utilização desse modelo pode servir omo uma ferramenta para estimar o resimento do mirorganismo e na modelagem de biorreatores de FES DALSENTER et al., 2005) Monitoramento e Controle da Fermentação em Estado Sólido A fim de operar o proesso om reprodutibilidade e om segurança, algumas variáveis relevantes do proesso devem ser medidas variáveis medidas) e algumas outras devem ser 16

30 modifiadas variáveis manipuladas), ontinua ou ao menos periodiamente. Isto é neessário, pois o sistema de fermentação no estado sólido pode sofrer influênia de diversos tipos de perturbações que afetarão a operação e o desempenho do proesso aso não sejam detetadas e orrigidas. Para isso é neessário definir as variáveis a serem monitoradas durante o proesso para então seleionar os instrumentos para fazer estas medidas. Em biorreatores de FES é neessário basiamente assegurar o resimento do mirorganismo e a produção das quantidades previstas do metabólito desejado, estabeleendo as ondições ótimas para isso Variáveis do Proesso Para alançar os objetivos de aordo om as neessidades do proesso é neessário que algumas variáveis sejam monitoradas e ontroladas on-line. Dentre essas variáveis, o monitoramento e ontrole da temperatura do leito é um ponto have para a otimização do proesso. A heterogeneidade do leito na FES promove o apareimento de gradientes de temperatura e onseqüentemente é neessária a utilização de sensores de temperatura em diferentes posições dentro do leito para que se obtenha uma estimativa média. Esses gradientes de temperatura dentro do leito podem interferir no desempenho do proesso, pois afeta o resimento do mirorganismo devido o apareimento de regiões quentes. A umidade do leito é outra variável-have que deve ser medida e ontrolada periodiamente, espeialmente durante a fase exponenial do resimento, para evitar a seagem do leito. Como a umidade está relaionada om a atividade de água do meio, a diminuição desta atividade de água devido à seagem pode prejudiar o resimento dependendo do mirorganismo utilizado. Uma forma bastante empregada para a manutenção dessas variáveis, tanto da temperatura omo da umidade do leito em biorreatores de FES, é através da manipulação das ondições do ar da entrada. Portanto, essas variáveis do ar de entrada, omo a temperatura, o fluxo e a umidade, devem ser também monitoradas e ontroladas durante o proesso. 17

31 Além dessas variáveis, durante o proesso fermentativo, o resimento de fungos filamentosos reduz a porosidade do leito, onseqüentemente diminuindo a taxa de transferênia de O 2 entre a fase gasosa e o leito e limitando também a remoção do alor gerado pelo metabolismo do mirorganismo. Desta forma, monitorar a porosidade do leito é neessário para proessos que envolvam biorreatores operados estatiamente ou om agitações periódias do leito. Para avaliar o resimento do mirorganismo, pode-se determinar a onentração de biomassa no proesso, o qual pode alterar as propriedades do leito ao longo do tempo. Atualmente nenhum método onfiável está disponível para o monitoramento ontínuo da biomassa em biorreatores industriais de FES, ao ontrário dos proessos que envolvem a fermentação liquida. As estimativas são ompliadas pelo fato que a heterogeneidade dentro do leito faz om que o mirorganismo resça de forma desigual em ertos pontos. Como uma alternativa, para estimar esse resimento do mirorganismo, é possível utilizar as variáveis respirométrias que envolve a onentração de CO 2 e O 2 que podem ser monitoradas. O aompanhamento da exaustão desses gases pode forneer informações sobre o proesso e os gases provenientes da respiração também podem relatar sobre o estado fisiológio do mirorganismo. Essas informações, omo o onsumo de O 2 e o oefiiente respirométrio podem ser alulados a partir das onentrações dos gases e a taxa de fluxo total SATO et al. 1983; SATO E YOSHIZAWA 1988; OOIJKAAS et al. 1998). Para que oorra um melhor resimento, ada mirorganismo possui um ph ótimo definido. Entretanto, é difíil medir o ph de um leito de FES. A heterogeneidade do meio difiulta um monitoramento om preisão. Desta forma o ph não pode ser medido on-line e nem ser ontrolado, sendo uma prátia adotada a utilização de soluções tampão no preparo do substrato, evitando deste modo que o ph mude muito durante a fermentação. Outras variáveis do proesso, neessárias para analisar o rendimento são a onentração de substrato iniial e a onentração de produto formado. Desta forma, o monitoramento dessas onentrações é rítio para a garantia da produtividade e da qualidade. Em determinados asos o substrato utilizado ou produto resultante variam, om isso o monitoramento off-line dessas onentrações se faz neessário para estabeleer o melhor tempo de fermentação. 18

32 Monitoramento On-Line através de Instrumentos Para permitir o monitoramento adequado das variáveis do proesso são utilizados instrumentos espeífios. Então, para obter o melhor monitoramento das ondições do leito, é neessário a avaliação das vantagens e limitações de ada instrumento, preisão e usto relativo. Os sensores utilizados dentro do leito sólido de um biorreator, que requer agitação, devem ser esolhidos e instalados adequadamente para prevenir danos ao sensor devido ao movimento dos sólidos durante os períodos de agitação. Para o monitoramento da temperatura é possível a utilização de diversos sensores que permitirão monitorar a distribuição da temperatura no leito do substrato e para medir a temperatura do ar de entrada e saída do proesso. Dentre esses sensores de temperatura temos os termopares, sendo os mais utilizados no meio industrial, pois possui um baixo usto, ampla faixa de amplitude de medição e respostas rápidas. Entretanto, os termopares apresentam baixa preisão. Para o proesso de FES, os detetores de temperatura de resistênia são melhores, pois estes sensores são estáveis, preisos, om resposta rápida e não neessitam de uma alibração periódia, mas são mais aros e mais frágeis que os termopares. Os sensores e métodos utilizados para monitorar ontinuamente o onteúdo de água de sólidos não tiveram um bom desempenho na área de FES. Os métodos propostos até então neessitam de 2 a 15 horas para se obter um resultado, sendo que isto é inviável para um monitoramento on-line CREUS, 1998a). Os sensores baseados em apaitânia são muito sensíveis à área de ontato entre o eletrodo e a amostra, sendo que tais dispositivos podem ser úteis na medição do onteúdo de água da fase sólida em biorreatores de leito estátio, mas estão limitados a monitorar om onfiabilidade um onteúdo máximo de água do leito de 50% CREUS, 1998a) que é muito baixo para a maioria de proessos de FES. Outros dispositivos de medição omerialmente disponíveis para o monitoramento da umidade, tais omo o infravermelho, são muito aros e também pouo prátios em biorreatores de FES por serem frágeis BRODGESELL E LIPTÁK, 1995; CREUS, 1998a). 19

33 Outra variável onde existem diversos métodos de monitoramento é o fluxo volumétrio ou mássio de ar no proesso. Existem métodos baseados na queda de pressão tubo de Pitot, Venturi e medidor de fluxo por orifíio), na área variável rotâmetros) e na veloidade anemômetros, turbinas), usados para medir a taxa de fluxo volumétria. Estas ténias podem ser também adaptadas para medir as taxas de fluxo mássio, onde a ompensação da pressão e da temperatura em ada aso é requerida. Embora haja muitas opções, é difíil seleionar um medidor de fluxo adequado, pois nem todos são apliáveis em um dado sistema devido ao espaço, ao usto e a preisão LOMAS E LIPTÁK, 1995). Além disso, em alguns asos um dispositivo de retifiação do fluxo teria que ser instalado antes do sensor SIEV et al., 1995). É aonselhável definir o tipo dos medidores de fluxo que obrem a esala de medida de interesse e identifiar então aqueles que têm a melhor apliação, onsiderando o erro permissível máximo, a pressão e a temperatura de operação que o sensor estará exposto a e o tipo de fluxo laminar, turbulento ou transiente). Na avaliação de ustos, além do preço de ompra, devem-se onsiderar os ustos de manutenção, às peças de reposição e à operação do sensor, desde que um instrumento apropriado pode ser barato, mas a longo prazo os outros ustos podem fazê-lo pouo prátio. O efeito da porosidade do leito pode ser monitorada on-line através da queda da pressão do leito sólido AURIA et al. 1993; VILLEGAS et al. 1993; BELLON-MAUREL et al. 2003). Por exemplo, em biorreatores estátios a medição da queda da pressão pode ser usada para manter a taxa do fluxo do ar de entrada sobre ontrole ou em biorreatores agitados periodiamente, para estabeleer intervalos de agitação. Outra análise importante é a dos gases de entrada e saída do biorreator, que pode ser onduzida através da utilização de um romatógrafo a gás CG) SAUCEDO-CASTAÑEDA et al. 1992; SAUCEDO-CASTAÑEDA et al. 1994) ou por analisadores espeífios de gases SMITS et al. 1996; FERNÁNDEZ et al. 1997). Em ambos os asos, para se obter resultados onfiáveis, deve-se manter a taxa de fluxo regulada e sear a amostra de ar antes da entrada no analisador. Algumas vezes o CG é preferido em relação a analisadores espeífios, pois o mesmo pode analisar muitos ompostos além do CO 2 e O 2. Por outro lado, analisadores de gases são mais preisos e possuem tempos rápidos de resposta alguns segundos). Estes equipamentos utilizam propriedades físias ou químias, omo o para-magnetismo ou absorção atômia, o qual arateriza o gás a ser analisado. Analisadores paramagnétios, 20

34 disponíveis para a medição de O 2, são provavelmente os mais efiazes KAMINSKI et al. 1995; CREUS 1998b). Embora aros, são muito preisos, não requerem a alibração periódia e apresentam baixa interferênia om outros gases se o vapor de água for removido). Estes instrumentos exploram a propriedade que alguns gases têm de se magnetizar quando são expostos a um ampo magnétio. Os analisadores eletroquímios são usados também para medir as onentrações de O 2, desde que possuem um usto baixo e forneem uma preisão boa; entretanto, a élula de medição deve ser substituída periodiamente uma ou duas vezes por ano). O CO 2 pode ser também medido om onfiabilidade através de instrumentos infravermelhos, que são preisos e têm uma vida longa, embora são aros e neessitam de uma alibração oasional CREUS 1998b). Estes analisadores usam a apaidade que o CO 2 tem de absorver a radiação infravermelha dentro de um espetro araterístio. Entre todos os sensores, o mais preiso e versátil é o sensor de ph. Os métodos de medição envolvem um eletrodo de vidro e um transistor íon sensitivo. Os eletrodos de vidro onsistem de um tubo de vidro dividido por uma membrana, geralmente feita de vidro, que é espeialmente sensível aos íons de hidrogênio. A sua fragilidade é a sua prinipal limitação, pois a membrana pode ser danifiada failmente. Por outro lado, o eletrodo de transistor é mais robusto, muito preiso e om resposta rápida CREUS, 1998). A medição direta do ph em substratos sólidos porosos pode não ser preiso devido ao pequeno ontato entre o sólido e a área sensível do eletrodo. Embora existam eletrodos flexíveis que se adaptam melhor as amostras sólidas, sua apliabilidade é limitada para leitos estátios, pois a agitação pode danifiar o eletrodo. Neste aso o monitoramento não pode ser extrapolado para o resto do leito devido a sua heterogeneidade MITCHELL, et al. 1992) Filtro de Dados O monitoramento das variáveis do proesso geralmente sofre interferênias de algum meio externo que aaba gerando erros nas medições. Esses erros sistemátios, grossos e ruídos) interferem om a operação do sistema e om a análise de dados que são utilizados omo parâmetros de entrada em modelos matemátios ou para monitoramento e ontrole do proesso. 21

35 Os erros sistemátios oorrem devido a inorreta alibração do instrumento, onde os valores médios da medição não orrespondem ao valor verdadeiro da variável medida. Erros grosseiros, onde se obtêm valores falsos da variável medida, oorrem devido o mau funionamento de sistema de monitoramento. Os ruídos podem ser lassifiados omo ruídos de alta freqüênia, assoiados om a limitação do instrumento utilizado que não pode produzir o mesmo valor exato após uma série de medições independentes, mesmo quando a variável medida é mantida onstante; ruídos de média freqüênia, devido à heterogeneidade do proesso turbulênia e poua agitação); e os ruídos de baixa freqüênia, ausados pelas perturbações do proesso ondições ambientais, alor metabólio e seagem do leito et.). Os efeitos dos ruídos de baixa freqüênia podem ser minimizados pelos proessos de ontrole automátios e os ruídos de alta e média freqüênia podem ser reduzidos através do proessamento de sinal, ou seja, por filtro de dados. Num biorreator de FES de larga esala o leito sólido é heterogêneo e suas araterístias variam ao longo do tempo onteúdo de água, onteúdo de biomassa, porosidade et), sendo difíil extrapolar uma média das ondições diretamente das medições. Estes efeitos signifiam que leituras on-line, omo as temperaturas, a taxa de fluxo de ar ou a umidade relativa, apresentam ruídos signifiantes e durante o período de agitação muitos erros grossos oorrem devido a liberação de gases que estavam olusos no leito ou de interferênias elétrias do funionamento de motores. Portanto, o proessamento dos dados é de extrema importânia para operar um biorreator de FES adequadamente PEÑA Y LILLO et. al, 2000). Isto é espeialmente importante se ténias avançadas de ontrole são implementadas, desde que esses algoritmos de ontrole não trabalhem sem modelos de proesso adequados, os quais são obtidos através de dados de proesso de boa qualidade. Contudo, os sinais produzidos pelos instrumentos são ontínuos analógio), normalmente os álulos de ontrole são proessados por miroproessadores digitais que podem ser somente operados om sinais digitais disretizados). Assim, o sinal analógio forneido pelo instrumento deve ser onvertido para um sinal disretizado, ou seja, um sinal que possui seus valores forneidos em intervalos de tempos regulares. O intervalo de tempo entre dois valores é onheido omo amostragem no tempo, se a amostragem no tempo é muito pequena, o sistema de ontrole pelo omputador pode ser sobrearregado. Entretanto, a taxa de amostragem pode ser limitada pela veloidade de proessamento do dispositivo de ontrole e pelo número de loops de 22

36 ontrole. Por outro lado, se a amostragem no tempo é muito longa, o sinal disretizado onvertido não irá reproduzir a dinâmia do proesso real forneido pelo sinal analógio original. A TABELA 1 apresenta valores omuns de amostragens no tempo utilizadas na prátia. TABELA 1. Valores de amostragem de variáveis no tempo. Variável Tempo de amostragem s) Fluxo 1 Pressão 5 Nível 10 Temperatura 20 A amostragem não elimina o ruído do sinal analógio original; então o sinal digital deve ser filtrado. Filtros digitais são proedimentos matemátios que proessam os sinais digitais online para reduzir seu ruído e representar melhorar a verdadeira dinâmia da variável medida Método de Inferênia Soft-Sense) Nos asos em que nenhum outro instrumento está disponível para medir on-line a variável desejada dentro de um usto aeitável e dentro de um tempo razoável, temos que planejar uma alternativa para medir as variáveis relevantes para o proesso. Por exemplo, não é possível medir on-line a onentração do produto formado de uma maneira rápida, de modo a inluir em um sistema efiiente de ontrole, pois o proedimento de medição pode durar horas, devido esses ompostos serem absorvidos pelo leito e devem ser extraídos antes da determinação analítia. Desta forma, a utilização de métodos soft-sense podem ser úteis nestes asos MONTAGUE 1997). Neste método, um modelo do proesso e as medidas das variáveis que são relaionados de algum modo om a variável não medida são usados para forneer uma estimativa on-line. Em FES este método é apliado prinipalmente em biorreatores de esala de laboratório para a estimativa da biomassa e do onteúdo de água do leito. De qualquer forma, as variáveis medidas utilizadas no método de soft-sense devem ser proessadas por um filtro devido a ruídos que podem interferir na estimativa. Além disso, é neessário um algoritmo do proesso 23

37 por que: as medidas são ontaminadas por erros e não desrevem ompletamente o estado do proesso; os modelos do proesso forneem somente uma aproximação ao omportamento do proesso real e o proesso está sujeito aos distúrbios externos, que não podem ser modelados ou ontrolados. Alguns desses modelos são baseados em um modelo dinâmio utilizado para estimar a matéria sea e o onteúdo de biomassa em biorreatores de tambor agitado om o monitoramento somente do CO 2. Esses modelos inluem os balanços de massa e energia que onsideram a formação de biomassa, água e matéria sea RYOO, 1990) Porém, pouos modelos para monitoramento indireto on-line são apliados em biorreatores de esala piloto em FES. Por exemplo, em biorreatores de FES de esala piloto uma média do onteúdo de água do leito pode ser estimada utilizando-se o monitoramento das váriaveis omo a taxa de evolução do CO 2 e as ondições do ar do proesso omo a temperatura, o fluxo e a umidade relativa. Neste aso o balanço de energia pode ser utilizado também para estimar a temperatura do leito, aproveitando o fato que essa variável pode ser failmente medida on-line e pode ser utilizada para onferir a onsistênia do modelo de medição indireta. Contudo, os erros sistemátios de medida das variáveis de entrada podem ser amplifiados ao longo do tempo em alguns modelos integrados. Está araterístia pode ter um efeito rítio, partiularmente para a determinação indireta da temperatura do leito através de um modelo, pois sua dinâmia rápida torna sua alibração mais difíil PEÑA Y LILLO et. al, 2001). Também existem modelos de soft-sense que utilizam balanços de massa mais omplexos para monitorar indiretamente o onteúdo de água do leito. Nestes proessos são onsiderados para o balanço de massa a água livre para o mirorganismo, além da água para o resfriamento por evaporação. Além disso, são onsiderados a água inorporada na biomassa, a produção metabólia de água e a água para a hidrólise do substrato NAGEL et. al, 2001). Entre os modelos mais simples, omo o proposto nesse trabalho, temos aqueles que utilizam somente o monitoramento da temperatura de entrada e saída do ar, omo uma forma de evitar ustos de instrumentação, para estimar a umidade do leito através da diferença entre as temperaturas, mas isso somente foi realizado para leitos om altura de no máximo de 6 m de altura KHANAHMADI et. al, 2006). 24

38 3. MATERIAL E MÉTODOS 3.1. Meio de Cultivo Foram utilizados os seguintes meios de ultivo: Meio de Cultivo A: para o preparo de inóulo e produção de esporos em erlenmeyers e em tubos de ensaio foi utilizado um meio om 3,9 % Ágar Batata Dextrosado Biobrás) e 2 % de Ágar bateriológio Biobrás) dissolvidos em água destilada sob agitação e aqueimento. A esterilização do meio foi realizada em autolave a 121 C durante 20 min Mirorganismo Neste trabalho utilizou-se o fungo Rhizopus oryzae linhagem ATCC Manutenção do Mirorganismo Para manutenção do mirorganismo foram feitos repiques trimestrais, em âmara de fluxo laminar, em tubos de ensaio om 10 ml de meio de ultivo A inlinado estéril, sendo este meio mais apropriado para produção de esporos. Esses tubos foram então inoulados om aproximadamente 1 ml de uma suspensão de esporos om aproximadamente esporos.ml -1 obtida a partir de um tubo que estava armazenado na geladeira. Para obter esta suspensão de esporos adiionou-se 10 ml de água estéril ao tubo que estava na geladeira e agitou-se om uma alça de platina esterilizada em bio de Bünsen. Os tubos inoulados foram então inubados em âmara de ultivo a 34 C por um período de 10 dias. Após isso os tubos foram armazenados em geladeira a 4 o C para manutenção da epa do fungo R. oryzae FIGURA 9). 25

39 esp.ml -1 Geladeira Estufa 1 ml 4 C 10 dias FIGURA 9. Esquema para manutenção do fungo R. oryzae Produção do Inóulo para o Biorreator Primeiramente adiionaram-se 50 g de arroz brano parbolizado peso seo) em frasos Erlenmeyer de 250 ml. O experimento foi realizado em tripliata e dividido em 3 grupos, onde ao primeiro grupo grupo A) foram adiionados 25 ml de água destilada, 30 ml ao segundo grupo grupo B) e 35 ml ao tereiro grupo grupo C), deixando todos repousarem por um período de aproximadamente 12 horas. Após esterilização em autolave a 121 C durante 20 min, ada fraso foi inoulado om 5 ml de uma suspensão de esporos om esporos.ml -1. Esta suspensão foi obtida a partir do ultivo do R. oryzae em um erlenmeyer de 500 ml durante um período de 10 dias om 100 ml de meio de ultivo A. Após isso, aresentou-se 100 ml de água destilada esterilizada e agitou-se vigorosamente om o auxílio de uma alça de platina FIGURA 10). Com o arésimo desta suspensão de esporos aos erlenmeyers de ada grupo, as umidades finais do substrato nos grupos A, B e C foram respetivamente de 60 %, 70 % e 80 %. p/p, base sea) 26

40 esp.ml -1 5 ml Grupo A Grupo B Grupo C FIGURA 10. Proedimento para otimização da produção de esporos Com isso, os fraos de ada grupo foram inubados a 34º C durante um período de 10 dias. Para o preparo da suspensão de esporos de ada grupo foram adiionados 100 ml de água destilada esterilizada em ada fraso, sendo neessário raspar vigorosamente a superfíie da biomassa sobre o arroz. Desta forma, a suspensão de esporos obtida foi armazenada em um reipiente estéril, repetindo-se este proedimento por mais duas vezes, resultando em uma suspensão de esporos de 300 ml por fraso. As suspensões foram nomeadas omo suspensão A, suspensão B e suspensão C de aordo om o grupo de onde foi obtida Contagem de Esporos Para determinação da onentração da suspensão de esporos utilizou-se uma âmara de Neubauer espelhada e um mirosópio óptio Nikon). Considerou-se para ontagem 16 quadrados que possuem 25 quadríulas om uma área de 0,0025 mm 2 e profundidade de 0,1 mm para ada quadríula. Com isso temos um volume total de 0,1 mm 3 = 0,1 µl FIGURA 11). FIGURA 11. Câmara de NeuBauer. 27

41 Para a ontagem de esporos dilui-se a suspensão obtida. Então, a suspensão diluída foi oloada om o auxílio de uma miropipeta estéril entre a âmara de NeuBauer e uma lamínula que foram previamente limpas om álool 70 %. Desta forma, preenheu-se o volume da âmara de NeuBauer por apilaridade e assim foi realizada a ontagem dos 16 quadrados sempre seguindo as quadríulas em zig-zag para failitar a ontagem onforme a FIGURA 12. FIGURA 12. Contagem de esporos na âmara de NeuBauer em zig-zag. Com o número total de esporos foi possível utilizar a Eq. 1) para então obtermos a onentração dos esporos obtidos da solução original. esporos nesporos sobre os 16 quadrados Fator ml 4 10 ml de diluição 1) Volume dos 16 quadrados = 10-4 ml 3.5. Determinação da Umidade Para determinar a umidade do substrato φ s g-água.g-sólido-seo -1 ), para o levantamento das isotermas dos substratos e para monitoramento da umidade durante o ultivo do fungo R. oryzae no biorreator, as amostras foram oloadas em plaas de Petri previamente pesadas e 28

42 numeradas. Durante os experimentos as amostras foram pesadas e destes valores foram subtraídos os pesos das plaas para forneer somente o peso das amostras úmidas. A determinação do peso seo foi feita através da seagem das amostras numa estufa a 65 C, om irulação de ar, até que as amostras atingiram peso onstante. Desta forma, foi possível determinar a umidade do substrato onforme a Eq. 2): peso amostra úmida peso amostra sea s 2) peso amostra sea s = umidade do substrato kg-água.kg-sólido-seo -1 ) 3.6. Experimento para Determinação da Isoterma do Substrato O proedimento experimental, realizado em tripliata para determinação da isoterma, onsistiu em preparar soluções salinas om atividades de água onheidas. Nesse aso, omo a temperatura no experimento é uma variável, optou-se pelo uso de soluções insaturadas de NaCl que possuem sua atividade de água onstante independente da temperatura devido a onentração de sal ser uma relação entre a massa de sal e a massa de solvente. A TABELA 2 mostra a onentração das soluções salinas insaturadas de NaCl e sua respetiva atividade de água. TABELA 2. Atividades de água de soluções insaturadas de NaCl para diferentes onentrações: valores propostos omo padrões na faixa de C. Solução de NaCl Insaturado Atividade de Água a w ) mol. kg de solvente -1 ) 2,5 0, ,932 1,4 0,953 0,7 0,971 0,3 0,99 CHIRIFE; RESNIK, 1984) 29

43 Para os experimentos onduzidos nas temperaturas de 35 C, 45 C e 55 C aidifiou-se o meio para tentar impedir o resimento de um eventual ontaminante durante o período de equilíbrio. Neste aso foi utilizada uma solução de água destilada, aidifiada om áido látio até o ph de 3,33. O substrato foi então imerso nesta solução por um período de 24 horas e depois o exesso de solução foi drenado. Então, para ada reipiente foram pesadas aproximadamente três gramas do substrato úmido, tratado om a solução de áido látio, nas plaas de Petri, sendo fehadas om papel alumínio e levadas para a autolave a 121 C por um período de 20 minutos. O substrato foi então oloado em reipientes que ontinham soluções salinas om atividades de água de: 1) 0,913, 2) 0,932, 3) 0,953, 4) 0,971, 5) 0,990. Desta forma, as amostras foram oloadas sobre suportes a fim de evitar o ontato om as soluções de sais no fundo dos reipientes, representado na FIGURA 13. Os reipientes om as amostras foram então fehados hermetiamente e levados à estufa para determinação da isoterma do substrato em diferentes temperaturas de 35, 45, 55 C, que foram mantidas onstantes até o equilíbrio da umidade entre a fase gasosa e a fase sólida. Para isso, essas amostras foram pesadas semanalmente para determinação da massa de substrato úmido, sendo neessário um período de aproximadamente de 14 a 21 dias até que fosse atingido o equilíbrio. Após isso, as amostras foram para uma estufa à temperatura de 65 C para seagem, om irulação de ar, durante um período de ino dias para a determinação da massa de substrato seo e onseqüentemente determinação da umidade. Tampa para fehamento hermétio Amostra de substrato úmido Solução insaturada de NaCl FIGURA 13. Materiais utilizados na determinação da isoterma. 30

44 3.7. Determinação do Calor Espeífio do Substrato. O alor espeífio do substrato seo ps ) é um parâmetro neessário no balanço de energia global da fase sólida no modelo matemátio, sendo onstante para ada substrato em ada estado físio. Para a determinação da apaidade alorífia do substrato utilizou-se um alorímetro isolado om isopor. O experimento onsistiu na adição de água quente no alorímetro até a estabilização da temperatura, a temperatura da água quente foi então anotada e depois se adiionou o substrato om umidade onheida na temperatura ambiente. Após estabilizar a temperatura anotou-se a temperatura de equilíbrio, sendo todas as temperaturas determinadas om um termômetro om preisão de 0,1 C. As massas do substrato e da água quente adiionados foram determinadas utilizando-se uma balança om preisão de g na tentativa de diminuir os erros experimentais. Sabendo que o produto entre o alor espeífio e a massa do substrato úmido propriedade aditiva tem-se que: psúmido ) é uma m.. T T ) m.. T T ) 0 3) súmido psúmido eq a w pw eq q psúmido m. m w pw súmido. T. T q eq T eq T a ) ) A partir do alor espeífio do substrato úmido e supondo que não oorre diferença de entalpia na mistura, pode-se hegar ao alor espeífio do substrato seo ps ) através da seguinte equação: m s úmido. psúmido ms úmido. s 1 ps m s úmido ms úmido s 1 pw 4) Obteve-se o ps do substrato seo a partir do psúmido do substrato umido onforme a Eq. 5). 31

45 ps m s úmido. p s úmido ms ms s1 úmido úmido Simplifiando a Eq. 5), obtem-se: ps nde, s p s úmido pw p s úmido ms úmido s 1 pw. ) 6) m s úmido = massa do substrato úmido kg); p s = alor espeífio do substrato úmido J. kg -1. C -1 ); úmido p S = alor espeífio do substrato seo J. kg -1. C -1 ); T a = temperatura ambiente em que se enontrava a soja C); m w = massa da água kg); p w = alor espeífio da água J. kg -1. C -1 ); T quente = temperatura da água quente C); T eq = temperatura final de equilíbrio C); s = umidade do substrato kg-água. kg-sólido-seo -1 ). 5) 3.8. Densidade do Substrato A densidade do substrato úmido su ), tendo no sistema internaional a unidade padrão de quilograma por metro úbio kg.m -3 ), é uma propriedade utilizada para se determinar a massa iniial de substrato seo m s ) no modelo. Para evitar erros durante a determinação do volume devido à adsorção de água pelo substrato seo durante o experimento, o mesmo foi deixado imerso em exesso de água por 24 horas e assim determinou-se a densidade para o substrato úmido saturado. Após isso, realizou-se o experimento em tripliata utilizando-se uma proveta de 200 ml om preisão de 1 ml para a determinação da densidade do substrato úmido saturado. Para isso, foi utilizado um proedimento bastante simples para se determinar a densidade de ada substrato. Primeiramente, em uma proveta adiionou-se um determinado volume de 32

46 100 ml de substrato x água. Então adiionou-se na proveta uma massa onheida de substrato úmido. Desta forma, foi possível determinar o volume oupado para uma determinada massa de substrato através da diferença entre o volume final e o volume iniial obtidos na proveta Porosidade do Leito do Substrato A porosidade do leito ) é um parâmetro importante, pois através dele podemos estimar a ompatação do leito e estabeleer o volume da fase gasosa do leito. O proedimento para determinação da porosidade do leito m 3 de espaço vazio.m -3 de leito) onsistiu na adição do substrato, previamente hidratado em exesso de água por um período de 24 horas, em uma proveta de 200 ml. Após a adição do substrato até o volume de 100 ml, adiionou-se 100 ml de água destilada e agitou-se para eliminação do ar presente nos poros do leito. Depois de aproximadamente 2 horas, om o assentamento do substrato, foram medidos o volume oupado pelo leito e o volume da água presente no leito FIGURA 14). 100 ml de água 2 horas FIGURA 14. Experimento para determinação da porosidade. Sabendo o volume oupado pelos poros no leito e a diferença entre o volume de água adiionada e a água aima do leito, utilizou-se a Eq. 7) para determinar a porosidade do leito. 100 ml x 100 ml de leito 7) = porosidade do leito m 3 -espaço-vazio. m -3 -leito); x = volume de água aima do volume oupado pelo leito de substrato ml). 33

47 Lã de vidro Mirofiltro Proedimentos Operaionais Padrão Para ada etapa do proesso e operação dos equipamentos, foi feito um proedimento operaional padrão POP) para auxiliar os operadores a operarem ada equipamento. O uso desses POPs tem omo objetivo evitar que oorram danos aos equipamentos e prinipalmente diminuir os risos em relação a aidentes através do uso adequado e orreto de equipamentos de proteção individual EPI) ANEXO I) Proesso de Cultivo do Fungo R. oryzae em Biorreator de Esala Piloto Foram realizados quatro experimentos que onsistiram no ultivo do fungo R. oryzae em biorreator de esala piloto. Nesses experimentos foram obtidos dados de variáveis durante o resimento do mirorganismo, tais omo a umidade do leito e a temperatura do leito, sendo que a última foi monitorada através de um sistema de aquisição de dados desenvolvido em Labview National Instruments) A partir desses dados foram omparados os resultados experimentais em relação aos dados gerados por um modelo matemátio, implementado em Fortran, proposto para estimativa indireta on-line da umidade do leito a partir dos dados de temperatura do leito que são monitorados durante o proesso Sistema de Aeração e Umidifiação do Ar O ar foi injetado no biorreator através de um soprador, sendo possível alterar manualmente a vazão de ar injetado de aordo om as neessidades do proesso. O ar injetado foi então esterilizado através de um sistema de filtração omposto primeiramente om um filtro de lã de vidro e um mirofiltro pregueado om poros de 0,2 µm de diâmetro, posiionados de aordo om a FIGURA 15. AR AR FIGURA 15. Sistema de filtração do ar. 34

48 Após ser filtrado, umidifiou-se o ar através de um sistema omposto por duas aixas de água de 1200 L e uma torre de umidifiação. Durante o proesso de ultivo uma das aixas foi mantida a temperatura entre C, sendo está a temperatura ótima de resimento do mirorganismo, e a outra numa temperatura de C, ou seja, a temperatura ambiente. As temperaturas das aixas de água foram ontroladas e mantidas om a utilização de termostatos e duas resistênias de 1500 W através de um sistema liga-desliga. Após 24 horas para o aqueimento da água, ligou-se a bomba que transfere água até o topo da torre na qual flui por toda a oluna até ser aptada no fundo e irulada até a aixa de água de origem, fehando um iruito. O ar por sua vez foi soprado por baixo da oluna, saindo no topo quase saturado om umidade de aproximadamente %) e om temperatura próxima a temperatura da aixa de água, tendo uma temperatura do ar de saída de 1-2 C menor em relação a temperatura da água da aixa FIGURA 16). Água Caixa dágua V útil = L T = C Água Caixa dágua V útil = L T = C Água Mirofiltro Ar Umidade 99 % Temperatura = C Vazão = m 3.h -1 Ar Umidade ambiente Temperatura ambiente FIGURA 16. Sistema de umifiação do ar. Torre de Umidifiação 35

49 100 m 50 m 15 m Limpeza do Sistema de Umidifiação Para a limpeza das aixas de água, primeiramente utilizou-se um detergente omerial e após o enxágüe adiionou-se 5 litros de hipolorito de sódio omerial Q boa) e 1000 L de água. Com isso, irulou-se esta solução durante 1 hora pela torre de umidifiação através do aionamento das bombas Desrição do Biorreator de Esala Piloto O biorreator onsiste em um ilindro de aço inox AISI 306 onde o substrato fia sobre uma base retangular perfurada, na qual o ar é injetado abaixo da base e flui no sentido do fundo para o topo do leito, onforme mostrado na FIGURA m Ar Ar FIGURA 17. Representação do biorreator. 70 m O substrato no biorreator permanee estátio durante a maior parte do tempo, porém em ertos períodos oorre a mistura do substrato através da rotação do biorreator ao redor do seu próprio eixo. Durante o período estátio o biorreator omporta-se omo um leito fixo, oorrendo gradientes de temperatura axiais devido à aeração forçada que oorre no leito. O gradiente de temperatura aumenta a apaidade do ar em transportar água, ausando a seagem do substrato, mesmo om utilização de ar saturado na entrada. Com isso, a agitação 36

50 do leito torna-se importante para homogeneizar novamente o substrato e para restabeleer, em ertos asos om a adição de água, a umidade do sólido neessária para o resimento do mirorganismo. Conseqüentemente a agitação do leito também auxilia em uma distribuição mais uniforme da água enquanto a mesma está sendo adiionada ao substrato. Esta agitação intermitente é potenialmente menos prejudiial para o miélio do mirorganismo do que uma agitação ontínua o qual provoa tensões de isalhamento nas hifas de fungos filamentosos e onseqüentemente afeta o resimento do mirorganismo. A agitação intermitente pode ser utilizada também para limitar a queda de pressão. Isto aontee devido ao resimento do fungo entre as partíulas que difiulta o esoamento do ar que está sendo injetado, ausando essas altas quedas de pressão. Então, a agitação tem a finalidade de quebrar as hifas do para permitir a passagem novamente do ar nos espaços entre partíulas Esterilização do Biorreator Para esterilização do biorreator utilizou-se vapor fluente durante 1 hora que foi gerado na autolave e levado para o biorreator através de uma mangueira. A mangueira foi aoplada na entrada de ar situada no fundo do biorreator e a saída de ar situada no alto foi aberta para a saída do vapor Instrumentos e Sistema para Aquisição de Dados Para o monitoramento da temperatura do proesso de ultivo, os dados de temperatura do ar de entrada e saída foram adquiridos através de 2 transmissores RHT Novus), om saída de 4-20 ma, onetados a um módulo 7017C om 8 anais ICP-DAS). A temperatura do leito foi por sua vez medida através de 16 termopares do tipo T Eil) onetados a 2 módulos 7018 om 8 anais ada ICP-DAS), que atuaram omo onversores espeífios para os sinais obtidos dos termopares e forneeram medidas diretas de temperatura C). Ambos os módulos foram onetados a um módulo onentrador 7024 ICP-DAS) e para a onversão do sinal RS-232 para RS-485 para omuniação om o miroomputador foi utilizado o módulo 7520 ICP-DAS). 37

51 45 m 33 m 18 m 5 m Poisionamento e Calibração dos Termopares no Leito do Biorreator O biorreator possui quatro pontos de medição instalados nas alturas de 5, 18, 33 e 46 m, posiionados ao longo do eixo vertial, onforme mostrado na FIGURA 18, para monitoramento dos gradientes de temperatura. Ar FIGURA 18. Disposição dos módulos de termopares no biorreator na vertial. Ar Cada ponto deste ontém quatro termopares do tipo T que foram dispostos horizontalmente, um seguido do outro, ao longo do biorreator, omo observado na FIGURA 19. FIGURA 19. ) Disposição dos termopares no biorreator ao longo do eixo horizontal. Para alibrar os termopares adiionou-se água aqueida no biorreator nas temperaturas de 30, 40, 50, 60 C. A temperatura da água foi então medida om termômetro de preisão e 38

52 omparada om os resultados obtidos pelos termopares, que foram registrados no programa elaborado no software Labview. O valor da diferença entre a temperatura da água medida no termômetro e a temperatura registrada pelo programa foi inserida no programa para orreção e alibração dos termopares. Esses termopares foram posiionados no biorreator de modo a apresentarem no programa a seqüênia orreta das temperaturas medidas do fundo ao topo do leito Ambiente e Sistema para Aquisição de Dados Para o desenvolvimento do programa em plataforma Labview 7.1, que foi feito no presente trabalho, foi utilizado um omputador om proessador Intel Pentium GHz, om 256 MB de memória RAM e sistema operaional Windows XP Mirosoft). A plataforma Labview 7.1 foi esolhida por ser uma linguagem de programação gráfia e uma ferramenta de fáil utilização para omuniação dos módulos hardware) om o miroomputador. Através da utilização das biblioteas, I700.dll e uart.dll), forneidas pelos fabriantes dos módulos de aquisição de dados ICP-DAS), foi possível reonheer os módulos através de estruturas no Labview 7.1 denominadas "Call library nodes". Após isso foi neessária a onfiguração adequada para reonheimento dos sensores através da onfiguração de endereço de ada módulo e o anal orrespondente para ada sensor. Para os transmissores RHT, foram obtidos sinais de 4-20 ma do módulo 7017C que orrespondem linearmente a 0-100% de umidade relativa e C. Os sinais dos termopares tipo T são adquiridos na unidade de temperatura desejada, dependendo da onfiguração dos módulos O programa foi onstruído em uma tela prinipal FIGURA 20), que apresenta a disposição dos termopares no leito e dos transmissores RHT om sua medição atual. Há também um ampo para seleção do intervalo de leitura dos dados que serão gravados no arquivo de saída, o tempo deorrente do experimento em segundos e dois sinalizadores para informar aso a temperatura ou a umidade alane um valor limitante para o resimento do mirorganismo. 39

53 FIGURA 20. Tela prinipal do programa de aquisição de dados. As demais telas apresentam os gráfios de temperatura do leito para ada termopar e a tela de gráfios para as temperaturas do ar de entrada e saída. Em ambos os asos é possível redimensionar o gráfio para se obter uma melhor visualização dos dados FIGURAS 21 e 22). FIGURA 21. Gráfios dos resultados de monitoramento do ar de entrada e saída. 40

54 FIGURA 22. Gráfio das temperaturas obtidas de ada termopar. A tela de onfiguração FIGURA 23) onsistiu na inserção de parâmetros da onfiguração dos módulos para obtenção dos sinais de ada sensor. Nesta janela pode ser inserido o valor determinado na alibração de ada termopar T, onforme desrito na seção FIGURA 23. Configuração de endereço e alibração dos sensores. 41

55 A etapa de onfiguração dos sensores foi uma etapa muito importante para a obtenção de valores onfiáveis e prinipalmente para evitar erros sistemátios devido à inorreta alibração dos termopares. Além disso, os erros mostrados para ada sensor se referem aos erros grossos que podem oorrer durante o experimento. Esses erros grosseiros podem ser gerados pela quebra dos módulos, desonexão dos sensores ou pela falta de energia Cultivo do Fungo R. oryzae no Biorreator de Esala Piloto Preparo do Substrato Nos experimentos de ultivo utilizou-se trigo moído e soja desasada bipartida Jasmine Alimentos Ltda.) omo substrato. Com isso, oloou-se em média 10 kg de substrato em saos plástios duplos de 100 L para evitar que os saos rasgassem durante sua transferênia da autolave para o biorreator. Adiionou-se água na proporção desejada e nas primeiras 8 horas agitou-se a mistura de água e substrato para que houvesse uma absorção homogênea da água. Após a homogeneização, deixou-se a mistura repousar por um período de 12 horas overnight). Esse substrato foi então esterilizado em autolave durante 20 min a 121 C, e esperou-se esfriar até a temperatura de C. Após o resfriamento ada sao foi transferido da autolave para o biorreator om o auxílio de luvas de proteção. A efiiênia do método de esterilização por alor úmido dos substratos utilizados nos experimentos foi determinada através da utilização de um bioindiador omposto por uma solução de esporos de Baillus stearothermophilus que são termoresistentes. As ampolas ontendo a solução de esporos om nutrientes Sterikon Merk) foram então oloadas em diferentes posições na autolave durante o proesso de esterilização do substrato. Após o proesso de esterilização, as ampolas foram inubadas em estufa a C, sendo está a temperatura ótima para resimento do B. stearothermophilus. Com a inubação dos esporos, depois de 24 horas analisou-se a or da solução. Caso a solução mudar da or azul, púrpura para amarela isso demonstra o resimento do bioindiador e que o proesso de esterilização não foi adequado. 42

56 Inoulação do Substrato Com a transferênia do substrato da autolave para o biorreator, esperou-se a temperatura do leito atingir aproximadamente C e inoulou-se o substrato om uma suspensão de esporos de Rhizopus oryzae preparada no mesmo dia. Foram utilizados em torno de 2,5-5,0 L de uma suspensão de esporos de onentração de aproximadamente esporos.ml -1, onforme desrido da seção 3.3. A inoulação foi feita por amadas utilizando-se um pulverizador manual e agitando-se om uma pá para obter uma melhor homogeneização FIGURA 24). FIGURA 24. Inoulação dos esporos no biorreator Monitoramento Experimental da Umidade e Temperatura do Leito Após a inoulação, o biorreator foi então fehado e o sistema de umidifiação de ar ligado. A vazão de ar de entrada foi ajustada para m 3.h -1. Após estabilização das temperaturas dos termopares no proesso, realizou-se a primeira oleta de substrato para determinação da umidade, onforme seção

57 5 m Utilizando um instrumento onstruído espeialmente para essa finalidade FIGURA 25), foram retiradas amostras do substrato de 5 em 5 m de profundidade. Para uma altura iniial do leito nos experimentos de m, foram retiradas de 6 a 7 amostras que foram oloadas em plaas de Petri, previamente pesadas, devidamente numeradas e laradas om filme plástio para posterior determinação da umidade. A amostragem para determinação da umidade do leito foi feita em tripliata. A ada 4 horas eram feitas novas oletas de substrato no biorreator, no mesmo molde da primeira oleta. Neste aso, também se verifiou a vazão e a temperatura do ar de entrada. FIGURA 25. Seqüênia de oleta de amostra para uma mesma posição. FIGURA 26. Coleta da amostra. 44

58 Com o iníio do experimento, iniiou-se também o monitoramento das temperaturas pelo sistema de aquisição de dados, sendo os resultados gravados ontinuamente Agitação do Biorreator Durante os experimentos realizou-se a agitação do leito omo uma estratégia de homogeneização da umidade do leito. Proedeu-se a agitação durante pelo menos min e om uma freqüênia de aproximadamente 20 rpm ontrolada através do inversor de freqüênia do motor. Desta forma, para a agitação do orpo do biorreator foi neessário desonetar primeiramente os abos dos termopares, em seguida as mangueiras de ar e fehar as respetivas válvulas de entrada e saída. As mangueiras de ar foram oloadas sobre o suporte espeífio, o que permitiu o aionamento do motor através do botão no painel de ontrole. Antes e após ada período de agitação realizou-se uma nova oleta de amostra do substrato para determinação da umidade. Em seguida foram reonetadas as mangueiras e os abos dos termopares para reiniio do ultivo e monitoramento da umidade e temperaturas do leito. 45

59 4. DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMÁTICO O modelo desenvolvido tem por objetivo estimar as variações e gradientes da umidade do leito a partir do monitoramento dos gradientes de temperatura que oorrem no leito e da temperatura do ar de entrada em um biorreator de esala piloto operado om agitação intermitente e aeração forçada. Os dados de temperatura monitorados e utilizados pelo modelo passam antes por um filtro de dados demonstrados a seguir Filtro de Dados A eliminação dos ruídos provenientes da medição dos instrumentos utilizados, prinipalmente os termopares do tipo T, é uma etapa importante para diminuir a influênia desses ruídos no sistema de determinação indireta da umidade através do método soft-sense. Além disso, as tomadas de medições dos termopares próximos à parede do biorreator não foram onsideradas por não representarem os fenômenos que oorrem no interior do leito, pois próximo a parede oorre transferênia de energia signifiativa por ondução do leito om o meio externo o qual não é onsiderada no modelo MITCHELL E VON MEIN, 2000). A estratégia para o filtro de dados se baseou em uma série omposta por quatro filtros, onforme demonstrado a seguir: Filtro 1 - Eliminação de Medições em um mesmo Tempo Devido à alta veloidade de amostragem de dados Tt,z)), temos para um mesmo tempo em segundo, de quatro a ino leituras. Assim, a função deste filtro é somente onsiderar o primeiro valor medido pelo sensor para determinado tempo T f1 t,z)), desprezando as demais medições para evitar que oorram dupliatas de leitura para um mesmo tempo Filtro 2 - Eliminação de Variações de Temperatura Menores que a Preisão dos Termopares O segundo filtro é baseado na sensibilidade e preisão do sensor. Sua prinipal função é evitar que o programa aeite variações de temperatura obtidas do primeiro filtro T f1 t,z)) menores que a preisão do sensor, neste aso os termopares do tipo T. 46

60 Assim, para diminuir o efeito de pequenos ruídos no monitoramento da temperatura, somente é onsiderada para ada tempo a temperatura que tenha variações superiores 0,5 C, armazenado a temperatura filtrada neste filtro T f2 t,z)) Filtro 3 - Filtro Exponenial Os filtros analógios têm sido utilizados por vários anos para amenizar os ruídos nos dados experimentais. O tereiro filtro onsiste em um filtro exponenial que tem a função de eliminar ruídos de alta freqüênia, também onheidos omo filtros de passa baixa. O filtro exponenial é baseado em uma função de transferênia de primeira ordem que é equivalente a uma equação diferenial de primeira ordem Eq. 8)) SEEBORG, 2004). dy t) F y t) x t) 8) dt onde x é a variável medida, y é o valor filtrado e F é uma onstante de tempo do filtro. Apliando a forma derivativa da Eq. 8) no tempo, om passo n, pode-se apliar diferenças finitas para frente Eq. 9)). dy dt y n1 y t n 9) Substituindo na Eq. 8), yt) por y n+1 e xt) por x n+1, temos: y y n1 n F yn 1 xn 1 10) t y t x y F n1 n1 n 11) F t F t 47

61 Definindo-se: F t 1 1 então pode-se esrever, y ). n 1. xn 1 1 yn 12) onde, x n+1 = temperatura filtrada obtida do segundo filtro T f2 t,z)) y n+1 = temperatura filtrada no tereiro filtro T f3 t,z)) Os valores filtrados são armazenados em matrizes T f2 i,j) e T f3 i,j) para agilizar o álulo a partir dos valores armazenados na memória, onde i é referente ao tempo t) e j referente a posição no leito z). Com isso, os filtros da temperatura são utilizados para i 1, onde t 0. T f 3 f 2 f 3 j i 1, j). T i 1, j) 1 ). T i, ) 13) Este filtro também pode ser hamado de single exponential smoothing, e os asos limitantes para são: = 1 Sem filtro, o resultado de saída do filtro será o valor de T f2 t,z) 0 O valor medido T f2 t,z) é ignorado Filtro 4 - Média Móvel O filtro final empregado na série é o filtro referente às médias dos valores anteriores. Este quarto filtro tem omo objetivo retornar valores resultantes das médias de um número 48

62 espeífio de resultados anteriores, dando o mesmo peso para ada resultado anterior no álulo da média. Este filtro das médias dos valores anteriores pode ser expresso omo: y 1 n n x i J inj 1 onde J é o número dos dados anteriores que serão utilizados para obter a média, para o foi utilizado J=10. Com base na Eq. 14), pode-se obter uma equação para y n-1, expressa omo: 14) 1 1 n n1 x i J inj 2 y 15) Subtraindo a Eq. 15) pela Eq. 14), temos: 1 y n1 yn xn 1 xnj 2 ) 16) J onde, x n+1 = temperatura filtrada obtida de tereiro filtro T f3 t,z)); y n+1 = temperatura filtrada T f4 t,z)). Os valores filtrados pelo quarto filtro são armazenados na matriz T f4 i,j) e para o valor iniial t=0) da temperatura medida, assume-se que T f1 0,z) = T f2 0,z) = T f3 0,z) = T f4 0,z) = T0,z). Então, para i 1, onde t 0, temos: T 1 i 1, j) T f 4 i, j) T f 3 i 1, j) T f i J 2, )) 17) J f 4 3 j Com o uso desses quatro filtros em série, tentou-se diminuir a influênia dos ruídos sobre a medição das temperaturas durante o experimento, que foram utilizadas omo variáveis de alimentação do modelo matemátio para determinação indireta da umidade do substrato. Na FIGURA 27 temos um fluxograma simplifiado de omo ada filtro foi empregado: 49

63 Tt,z)=Ti,j) t 0 i > 1 Filtro 1 i+1= i Sim Não T f1 i+1,j) = Ti+1,j) Filtro 2 T f1 i+1,j) - T f1 i,j) 0,5 Não T f2 i+1,j) = T f2 i,j) Sim T f2 i+1,j) = T f1 i+1,j) Filtro 3 T f 3 i 1, j). T f 2 i 1, j) 1 ). T f 3 i, j) Filtro 4 1 T f 4 i 1, j) T f 4 i, j) T f 3 i 1, j) T f 3 i J 2, j)) J Modelo de Inferênia FIGURA 27. Fluxograma dos filtros de dados em série. 50

64 4.2. Desrição do Modelo de Inferênia O modelo desenvolvido foi baseado nos fenômenos de transferênia de massa e energia que oorrem dentro do biorreator de FES de esala piloto FIGURA 28). Durante o resimento do fungo filamentoso R. oryzae em FES, o fungo rese superfiialmente sobre partíulas do substrato, onsumindo o substrato e o oxigênio do ar que são fatores neessários para desenvolver suas atividades metabólias, liberando água na forma de vapor, alor metabólio e dióxido de arbono. Como a biomassa produzida é menor do que o substrato onsumido, devido à onversão de parte da massa do substrato para formação de gás arbônio e água, a quantidade total de sólidos seos diminui durante o resimento do fungo. Esta diminuição da massa de substrato não somente influenia na umidade do leito, mas também altera sua geometria, mas para simplifiar a modelagem do sistema, a geometria do substrato é onsiderada onstante. Portanto, o sistema onsiste em partíulas sólidas de substrato e biomassa irundadas de ar. Nesse sistema foi onsiderado o fenômeno de transferênia de energia e massa que oorre no leito omo a onveção e a evaporação. Neste aso a evaporação exere um proesso fundamental para o resfriamento do leito através de um fenômeno denominado resfriamento evaporativo. A transferênia de alor através das paredes do biorreator não é onsiderada em relação aos outros fenômenos de transferênia de alor que oorrem no interior do biorreator na direção vertial. O modelo desreve o resimento de uma maneira simples e de forma empíria, onsiderando somente a produção de alor metabólio obtida pelo balanço de energia através das temperaturas medidas durante o proesso. A partir do alor metabólio pode ser obtida a partir da estequiometria de resimento a produção de água metabólia que influenia no balanço de massa do sistema e om isso na determinação da umidade que pode ser estimada para o leito. 51

65 Ar AR Calor metabólio H 2 O do metabolismo CO 2 Fase Sólida Biomassa + Substrato) z AR Fase Gasosa Nutrientes Ar O 2, CO 2, H 2 O FIGURA 28. Fenômenos de transporte de energia e massa que oorrem no sistema. O 2 Algumas onsiderações são feitas para a simplifiação do modelo, sendo elas: a) A temperatura da fase sólida está em equilíbrio om a temperatura da fase gasosa que está próxima; b) No final do período de agitação a temperatura em todas as seções divididas do leito, de aordo om a posição dos termopares, retorna para uma temperatura média ponderada de aordo om as temperaturas pré-agitação em ada seção transversal horizontal do leito; ) A atividade de água da superfíie da fase sólida está em equilíbrio om a atividade de água da fase gasosa que está próxima; d) Após agitação o leito tem uma umidade média, ponderada em relação à umidade préagitação das seções transversais do leito; e) O ar entra e permanee saturado ao longo do leito om umidade relativa de 99%); f) A transferênia de energia e massa onsiderada no sistema oorre somente ao longo do eixo entral por onde o ar flui, que é representado pela letra Z; g) A porosidade do leito é onstante. 52

66 4.3. Fenômenos de Transferênia de Calor e Massa Abaixo segue um fluxograma FIGURA 29) de omo ada equação dos balanços de massa e energia foi utilizada para onseguir estimar a umidade do leito a partir das temperaturas em diferentes posições do leito medidas on-line durante o ultivo do fungo R. oryzae. Temperatura on-line T f4 i+1,j) Balanço de energia Produção de alor metabólio Q i 1, j) Produção de água W i 1, j) Y. O i 1, ) W / O2 2 j Consumo de oxigênio 1 O2 i 1, j) Q i 1, j) Y Q / O2 Produção de CO 2 CO i 1, j) Y. O i 1, ) 2 CO2 / O2 2 j Balanço de substrato seo S i 1, j) Balanço de massa i 1, j) S FIGURA 29. Esquema de utilização dos balanços de massa e energia para estimar a umidade do leito a partir das temperaturas medidas on-line Balanço de Energia Global Para o balanço de energia global do sistema, onsideramos que a temperatura da superfíie da fase sólida está em equilíbrio om a temperatura da fase gasosa, onde T s t,z)=t g t,z)=t f4 i,j) e que a fase gasosa está sempre saturada de aordo om a temperatura. Com isso, temos o seguinte balanço de energia global: 53

67 T T T. H sat T Q g G S.... G 18) t z t T z t pg g pv. Ps S Pw = porosidade m 3 -espaço-vazio. m -3 ); g = densidade da fase gasosa kg-ar-seo. m -3 ); G = fluxo mássio de ar kg-ar.m -2.s -1 ); p g = alor espeífio do ar seo J. kg -1. C -1 ); g = umidade da fase gasosa kg-água. kg-ar-seo -1 ); p v = alor espeífio do vapor de água J. kg -1. C -1 ); S = massa de substrato ontido no leito kg - subst. - seo. m -3 ); p S = alor espeífio do substrato seo J.kg -1. C -1 ); S = umidade da fase sólida kg - água. kg - subst. - seo -1 ); p w = alor espeífio da água J. kg -1. C -1 ); = entalpia de evaporação da água J. kg-água -1 ); H sat = umidade de saturação kg-água. kg-ar -1 ); Q = alor metabólioj. m -3 ); T = temperatura de equilibrio C -1 ). O primeiro termo da Eq. 18) do lado esquerdo refere-se a variação de energia na fase gasosa e o segundo termo representa a variação de energia nas diferentes posições do leito devido a onveção. O primeiro termo do lado direito representa a variação da energia na fase sólida, o segundo termo a variação de energia nas diferentes posições do leito devido ao resfriamento evaporativo, onde é a entalpia de evaporação da água e H sat e a umidade de saturação do ar em relação a uma determinada temperatura, e o tereiro termo refere-se ao alor metabólio produzido durante o resimento do mirorganismo. 54

68 Separando o último termo do lado direito que se refere ao alor metabólio produzido pelo mirorganismo, temos: Q t T T T. H sat T g G S.... G 19) t z t T z Para o álulo da umidade de saturação H sat ) utilizamos a seguinte equação: sat Pw 0,62413 H 0, ) sat sat P P P w 1 sat P w onde 0,62413 representa a razão entre a massa molar da água e uma média da massa molar do ar seo. A pressão de saturação parial é derivada da equação de Antoine REID et al., 1977) sat w 3816,44 18,3036 Tf 4 i, j) 227,02) P 133,322. e 21) T f4 = temperatura filtrada obtida do quarto filtro equilíbrio entre a fase sólida e gasosa C)); P w sat = pressão parial de saturação da fase gasosa Pa). Isto permite esrever uma equação para a umidade de saturação em termos de temperatura substituindo a Eq. 21) na Eq. 20): H sat 133,322. e 0,62413 P 18,3036 T f ,44 i, j) 227,02) 1 22) A Eq. 22) pode ser difereniada para obter uma expressão de dh sat /dt, a qual é utilizada para álulo da Eq. 19), omo o termo que representa a perda de energia devido à evaporação. Para uma pressão total P, Pa), obtemos HIMMELBLAU, 1996): 55

69 56 46,13 273,15) ), 3816,44 18, ,13 273,15) ), 3816,44 18, , , ,02 ), 0, ,44. j i T j i T f sat f f e e P j i T P T H 23) Como as temperaturas obtidas on-line pelo sistema de aquisição de dados, não apresentam grande variação em pequenos intervalos de tempo, podemos apliar o método de diferenças finitas para frente na Eq. 19). Assim, através dos resultados filtrados das temperaturas do leito T f4 i,j)) durante o experimento nas diferentes posições, podemos estimar o alor metabólio produzido pelo mirorganismo em um determinado tempo e posição Eq. 24)). G z T T H t j i T j i T S z j i T j i T G t j i T j i T t j Q i j Q i sat f f f f f f g... )), ) 1,.. 1)), ), )), ) 1, ), ) 1, ),.... )), ) 1,.. 1)), ), )), ) 1, ) 1, j Q i t G z T T H t j i T j i T S z j i T j i T G t j i T j i T j Q i sat f f f f f f g 24) Cálulo do Consumo de Oxigênio e Produção de Gás Carbônio Os mirorganismos utilizam a energia dos substratos, mas omo qualquer outro proesso, parte da energia presente no substrato é liberada na forma de alor metabólio onforme Eq. 25). ao 2 + bsubstrato Biomassa + dco 2 + eh 2 O + fq 25) Com isso, baseando-se na reação demonstrada na Eq. 25), o elemento oxidante predominante é o oxigênio, então a geração de alor pode ser assoiada à taxa de oxidação do substrato e onseqüentemente om a taxa de onsumo de oxigênio durante o proesso.

70 O t 2 1 Y Q / O 2 Q. t 26) onde, Y Q / O 2 = fator de onversão de oxigênio a alor metabólio J. mol -1 O 2 ). Sabendo que o oxigênio aeita quatro elétrons durante o proesso respiratório, pode-se determinar assim, a quantidade de energia liberada para o meio a partir da energia presente nos elétrons que orresponde de 108,836 a 129,766 kj. elétron -1. Assim, temos: Y Q / O 2 = 519 kj. mol -1 O 2 BAILEY e OLLIS, 1986) Assumindo da mesma forma que a produção de gás arbônio em relação ao onsumo de oxigênio são próximas durante um ultivo, pois a prinipal fonte de arbono são arboidratos, e o atabolismo é aeróbio: CO t O t 2 2 YCO / O.. MCO ) onde, Y CO 2 / O = fator de onversão do oxigênio em gás arbônio mol CO 2 2. mol -1 O 2 ); MCO 2 = massa molar do gás arbônio 44g. mol -1 ); Y CO 2 / O = 1,0 mol CO 2 2. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001) Cálulo da Produção de Água pelo Mirorganismo Para o álulo da água produzida, devido o metabolismo do mirorganismo, podemos utilizar a mesma Eq. 25). Então, a produção de água metabólia em relação ao onsumo de oxigênio será: 57

71 W t onde, Y O. t 2 W / O. MH 2 2 O 28) Y W / O 2 = fator de onversão do oxigênio em água metabólia mol H 2 O. mol -1 O 2 ); MH 2 O = massa molar da água 18 g. mol -1 ); Y W / O 2 = 1,2 mol H 2 O. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). A produção de água metabólia é onsiderada omo um termo importante no balanço de água para o leito e pode ser determinada indiretamente pelo alor metabólio produzido pelo resimento que é determinado através do balanço de energia Eq. 18)) Balanço de Sólidos Seos Para o balanço de sólidos seos totais onsideramos somente o substrato seo e a biomassa sea produzida. O oxigênio é então inorporado à biomassa sendo produzidos gás arbônio e água onforme a Eq. 25). Com isso, temos o seguinte balanço para os sólidos totais seos: S t O. MH 2O YCO / O. MCO2 MO2 29) t Y 2 W / O. Onde o primeiro termo do lado direito está relaionado om a onversão de massa sea em água durante metabolismo oxidativo, o segundo termo está relaionado om a perda de massa na forma de CO 2 e o tereiro termo está relaionado om o ganho de massa na forma da inorporação de O 2. Então, através da Eq. 29) é possível estimar a variação da onentração de sólidos seos durante o proesso de ultivo. Os valores dos fatores de onversão YW / O e Y 2 CO 2 / O 2 podem variar durante o proesso, mas um valor médio pode ser utilizado de aordo om a literatura. 58

72 Atividade de Água para a Fase Sólida Ao se expor um substrato a uma determinada umidade relativa, oorre o fenômeno de transferênia de massa para se alançar um equilíbrio dinâmio entre a umidade do substrato e a do ambiente. Tal fato aontee quando a pressão de vapor da água na superfíie do material se iguala à do ar que o envolve. O estudo da relação entre a umidade do substrato e a sua atividade de água pode ser feito através das isotermas de sorção. Uma isoterma é uma urva que desreve a relação de equilíbrio entre o teor total de umidade de um substrato e a pressão de vapor ou umidade relativa, a uma dada temperatura. Essa relação depende de diversos fatores, tais omo da estrutura físia da superfíie do material, omposição químia e afinidade om a água. Portanto, omo ada substrato apresenta araterístias distintas de sorção de umidade, faz-se neessária a determinação experimental das isotermas para ada tipo de substrato. Uma equação empíria é utilizada para desrever a isoterma onforme a Eq. 30) CALÇADA, 1998): 1 C C. T ) C5 ln 1 a ) 3 4 g * wg s 30) exp C1 C2. Tg ) onde, * s = água ontida na fase sólida quando em equilíbrio om a fase gasosa kg-água. kgsubstrato-seo -1 ); a wg = atividade de água da fase gasosa; T g = temperatura da fase gasosa ºC); C 1, C 2, C 3, C 4, C 5 = onstantes que serão determinadas através dos experimentos por regressão multivariável. Para determinação das onstantes C1, C2, C3, C4, C5 utilizou-se uma sub-rotina de regressão multivariável através do software TKSolver Universal Tehnial Systems UTS). Desta forma utilizou-se os valores das onstantes onsiderando o melhor ajuste da Eq. 30) em 59

73 60 relação aos dados experimentais obtidos de onteúdo de umidade em relação a atividade de água para todas as temperaturas em que foram determinadas as isotermas. A atividade de água para a fase sólida é então derivada da isoterma para o substrato Eq. 29)) rearranjada da seguinte para isolar a w : )),. ),..exp ), exp 1 ), ), C f z t T C C s ws w z t T C C z t z t a z t a f 31) )) 1,. ) 1,..exp ) 1, exp 1 ) 1, ) 1, C f j i T C C s ws w j i T C C j i j i a j i a f Atividade de Água para a Fase Gasosa A atividade de água da fase gasosa, a qual é proporional a umidade relativa UR/100), é dada pela pressão de vapor da água dividida pela pressão de vapor de saturação em uma determinada temperatura: 0,62413 ), )., ), ), z t P P z t z t a z t a g sat w g wg w 32) Isolando o onteúdo de umidade da fase gasosa φ g temos : sat w w sat w w g P z t a P P z t a z t ).,.0,62413 )., ), 33) sat w w sat w w g P j i a P P j i a j i ). 1,.0,62413 ). 1, ) 1, onde, P w sat = pressão parial de saturação da fase gasosa Pa). A pressão de saturação parial é derivada da equação de Antoine REID et al., 1977) 227,02) ), 3816,44 18, ,322. z t T sat w f e P 34) T f4 = temperatura fitrada obtida do quarto filtro equilíbrio entre a fase sólida e gasosa C)).

74 Como a atividade de água entre a fase gasosa e a fase sólida está em equilíbrio, a ws t,z)=a wg t,z)=a w t,z), e determinando a atividade água iniial da fase sólida através da Eq. 31), pode-se estimar a umidade da fase gasosa φ g ) Balanço de Água Global Considerando o equilíbrio da atividade de água entre as duas fases onde a ws t,z)=a wg t,z)=a w t,z),temos o seguinte balanço de água global: g t g g G z S. s t W t 35) = porosidade m 3 -espaço-vazio. m -3 ); g = densidade da fase gasosa kg-ar-seo. m -3 ); G = fluxo mássio de ar kg-ar.m -2.s -1 ); g = onteúdo de umidade da fase gasosa kg-água. kg-ar-seo -1 ); S = massa de substrato ontido no leito kg - subst. - seo. m -3 ); S = umidade da fase sólida kg - água. kg - subst. - seo -1 ); W = água produzida pelo metabolismo kg - água. m -3 ). Com isso o primeiro termo da Eq. 35) do lado esquerdo representa a variação de umidade da fase gasosa e o segundo termo é o termo que se refere à variação da umidade da fase gasosa nas diferentes posições no eixo vertial devido à onveção. O primeiro termo do lado direito representa a variação da umidade da fase sólida em relação à variação dos sólidos seos e o segundo termo é referente à água produzida pelo metabolismo do mirorganismo. 61

75 62 Apliando diferenças finitas para frente na Eq. 35), temos: t W z t S t j i j i j i t j i S j i S z j i j i G t j i j i s s s g g g g g ), ), ) 1, ),. ), ) 1, 1), ), ), ) 1,. 36) z j i j i G t j i j i R g g g g g 1), ), ), ) 1,. 1 t W j i S t j i j i j i t j i S j i S R s s s ) 1, ) 1, ), ) 1,. ), ) 1, 2 Tendo os valores experimentais iniiais de umidade da fase sólida S i,j)), onseguiu-se determinar a atividade de água a w i,j)) através da Eq. 31). Como se onsiderou o equilíbrio entre as duas fases do sistema em relação à atividade água e temperatura, a partir da atividade água alulada através da Eq. 31) pode-se alular a umidade da fase gasosa g i,j)). Com esses valores, estimou-se um valor para a umidade da fase sólida para um tempo i+1 S i+1,j)) e assim estimou-se também a umidade para a fase gasosa para um tempo posterior, i+1, g i+1,j)). Para que esses valores estimados de umidade fossem válidos, foi utilizado o método da bisseção para determinação simultânea de S i+1,j)) e g i+1,j), onde os valores estimados deveriam satisfazer a igualdade R1 = R2, sendo determinado um erro aeitável para R1-R2 < Sistema de Equações Para a resolução das equações utilizou-se o método de diferenças finitas para frente para estimar as variáveis no tempo, sendo implementado um programa na linguagem de programação Fortran Compaq Visual Fortran 6.0), ANEXO II), para resolução do sistema a partir das temperaturas filtradas obtidas durante os ultivos. O sistema de equações é omposto por nove equações om nove variáveis:

76 63 Cálulo do alor metabólio produzido pelo mirorganismo ),.... )), ) 1,.. 1)), ), )), ) 1, ) 1, j Q i t G z T T H t j i T j i T S z j i T j i T G t j i T j i T j Q i sat f f f f f f g Cálulo da umidade de saturação 46,13 273,15) ), 3816,44 18, ,13 273,15) ), 3816,44 18, , , ,02 ), 0, ,44. j i T j i T f sat f f e e P j i T P T H Cálulo do oxigênio onsumido pelo mirorganismo t Q Y t O O Q. 1 2 / 2 Cálulo do gás arbônio produzido pelo mirorganismo 2 2 / MCO t O Y t CO O CO Cálulo da água metabólia produzida O MH t O Y t W O W 2 2 /.. 2 Balanço dos sólidos seos t O MO MCO Y O MH Y t S O CO O W / 2 /

77 64 Cálulo da umidade da fase sólida t W z t S t j i j i j i t j i S j i S z j i j i G t j i j i s s s g g g g g ), ), ) 1, ),. ), ) 1, 1), ), ), ) 1,. Para estimar a umidade do leito ) 1, j i s ), foi apliado o método da bisseção para satisfazer a igualdade da equação, onforme demonstrado na seção Cálulo da atividade água )),. ),..exp ), exp 1 ), ), C f z t T C C s ws w z t T C C z t z t a z t a f Cálulo da umidade da fase gasosa sat w w sat w w g P z t a P P z t a z t ).,.0,62413 )., ), Condições Iniiais No tempo iniial t = 0) a onentração volumétria do sólido S 0 ), onteúdo de umidade do ar 0 g ), onteúdo de umidade do sólido 0 S ), temperatura do ar T g0 ) e temperatura do sólido T S0 ) são estabeleidos na preparação do substrato inoulado e operação do biorreator, sendo que ada parâmetro possui os mesmos valores iniiais em toda altura do leito. g g0 ; S S 0 ; T g = T g0 ; T S = T S0 ;

78 1 1 S = S 0 =. 1 SU S 0 37) onde su = densidade do substrato úmido kg-substrato-úmido. m -3 ) Condições de Contorno No fundo do biorreator, a temperatura e umidade do ar são mantidas nos valores que possuíam no tempo iniial: Z=0 T g g T gi gi T g0 g0 65

79 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1. Otimização da Produção de Esporos Para ada ensaio, om o objetivo da produção de inóulo para o biorreator, seguiu-se o proedimento desrito na seção 3.3., onde se obteve 300 ml de suspensão de esporos a partir de ada grupo estudado. A partir da média do número de esporos obtidos em ada grupo, onsiderou-se 16 quadrados da Câmara de NeuBauer e um fator de diluição de 300, referente ao volume da suspensão de esporos. Com isso, apliando a Eq. 1), foi obtida a onentração média de esporos para ada grupo, onforme demonstrado na TABELA 3. TABELA 3. Conentração de esporos nas suspensões A, B e C. Grupos Conentração esporos. ml -1 ) A 1, B 1, C 6, De aordo om os resultados apresentados, a melhor ondição foi o ultivo om 60% de umidade. Se onsiderarmos uma inoulação de 10 6 esporos. g-subst.-úmido -1 no biorreator, para uma massa média de kg de substrato úmido utilizados durante a fermentação, neessitamos de aproximadamente 5,0 6,0 L de suspensão de esporos produzida a partir do ultivo do fungo em arroz om 60% de umidade. Ainda para padronizar o trabalho, seria interessante repetir este proedimento e substituir o método de raspagem manual da biomassa para extração dos esporos, pois dependendo da forma e operador que realiza esta tarefa pode influeniar os resultados finais. Para isso, podese utilizar outra ténia omo a trituração da massa de arroz e biomassa em liquidifiador para posterior adição de água. Desta forma é possível oloar a mistura sob agitação ontínua durante um período pré-determinado e após sua seagem o pó obtido poderia ser utilizado omo inóulo no biorreator. Outra possibilidade seria utilizar a massa triturada, om a adição de água, omo inóulo para o biorreator. 66

80 Entretanto, existe a vantagem da utilização de uma suspensão de esporos ao invés de pó, pois a inoulação da suspensão de esporos no proesso pode ser realizada failmente através de pulverização sobre o substrato para que haja uma melhor homogeneização a massa, sendo que haveria difiuldade para se proeder da mesma forma utilizando o pó omo inóulo, além de ser neessário tomar medidas preventivas para os esporos não ontaminem o ambiente Isotermas dos Substratos em Diferentes Temperaturas A determinação da isoterma da soja ozida e do trigo moído ozido é uma etapa importante devido à neessidade da determinação dessa propriedade dos dois substratos que será apliada nos estudos de modelagem do proesso. Para isso, determinaram-se experimentalmente as isotermas em diferentes temperaturas onforme desrito na seção 3.6. Com os dados experimentais obtidos, utilizou-se o software TKsolver e a subrotina MARQFITN.TK que permitiu o ajuste da equação da isoterma de Calçada 1998) Eq. 30)) para N variáveis independentes. Desta forma os resultados experimentais de umidade ), atividade de água a ws ) e temperatura T) foram inseridos em S loal apropriado. A equação da isoterma foi também inserida no módulo apropriado para determinação do melhor ajuste da isoterma e dos parâmetros C1, C2, C3, C4 e C Isoterma da Soja em Diferentes Temperaturas Durante o experimento realizado na temperatura de 35 C, houve o resimento de ontaminantes que aabaram influeniando nos resultados. Assim, para evitar este problema, todos os experimentos foram realizados onforme desrito na seção 3.6. onde se utilizou uma solução, para hidratar o substrato, aidifiada om áido látio para diminuir o riso de ontaminação e também, todos os materiais foram autolavados durante 15 min a 121 C. A determinação da umidade foi realizada semanalmente até a estabilização da massa das amostras de substrato, ou seja, até que se atingisse um equilíbrio entre a fase gasosa e a fase líquida para uma determinada temperatura e atividade água. 67

81 Umidade φs) kg - água. kg - subst. - seo -1 ) Na FIGURA 30 está demonstrada a média dos resultados das tripliatas obtidas de umidade em relação à atividade de água em ada temperatura. Com os dados experimentais foi ajustada a equação da isoterma, sendo os valores das onstantes mostrados na TABELA Atividade água a ws ) FIGURA 30. Isoterma da soja em diferentes temperaturas. ) umidade a 35 C, ) modelo a 35 C, ) umidade a 45 C, - - -) modelo a 45 C, ) umidade a 55 C, - ) modelo a 55 C Com o ajuste obtido da equação da isoterma de Calçada 1998) em relação aos dados experimentais para a isoterma da soja em diferentes temperaturas, foi possível obter um onjunto de valores dos parâmetros, através do software TKsolver, demonstrado abaixo na TABELA 4: TABELA 4. Valores das onstantes da equação da isoterma para soja Eq. 30), seção 4.8). Constantes Valores C1-26,072 C2 0,766 C3 3,351 C4 0,549 C5 410,894 68

82 Umidade φs) kg - água. kg - subst. - seo -1 ) Também foi determinado um erro estimado para o ajuste da isoterma utilizando este onjunto de valores em relação aos valores de atividade água do experimento, no eixo y, temos que dy = 0, Isoterma do Trigo em Diferentes Temperaturas Da mesma forma que a soja, o mesmo proedimento para determinação da isoterma foi feito para o trigo moído. Nesta etapa, também foram tomados os devidos uidados quanto esterilização dos materiais para que não houvesse resimento de ontaminantes que interferem nos resultados. Após equilíbrio das atividades de água da fase sólida em relação à fase gasosa, os resultados experimentais foram utilizados para ajustar a equação da isoterma, onforme demonstrado na FIGURA Atividade água a ws ) FIGURA 31. Isoterma do trigo moído em diferentes temperaturas. ) umidade a 35 C, ) modelo a 35 C, ) umidade a 45 C, - - -) modelo a 45 C, ) umidade a 55 C, - ) modelo a 55 C. Da mesma forma, foi possível obter um onjunto de valores dos parâmetros para um melhor ajuste da equação da isoterma de Calçada 1998), que estão demonstrados na TABELA 5: 69

83 TABELA 5. Valores das onstantes da equação da isoterma para o trigo moído Eq. 30), seção 4.8). Constantes Valores C1 0,245 C2 0,016 C3 2,129 C4 0,005 C5 31,163 Neste ajuste, o erro estimado na predição em relação aos valores de atividade água do experimento, no eixo y, é dy=± 0, Calor Espeífio do Substrato Os resultados obtidos durante o experimento para determinação do alor espeífio dos substratos, a partir do proedimento desrito na seção 3.7, foi realizado tanto para soja desasada bipartida quanto para o trigo moído em diferentes umidades. Os resultados obtidos para a soja bipartida estão apresentados na TABELA 6, sendo realizadas 12 medidas de alor espeífio: TABELA 6. Calor espeífio para a soja. Umidade φ s ) g água.g subst. seo -1 ) ps úmido soja úmida J. kg -1. ºC -1 ) ps soja sea J. kg -1. ºC -1 )* 0, , ,59 0, , ,04 0, , ,86 0, , ,30 0, , ,19 0, , ,32 0, , ,85 0, , ,07 0, , ,10 1, , ,24 1, , ,37 1, , ,51 MÉDIA 2311,78 * alulada a partir da Eq. 5), seção

84 A literatura faz referênia a valores para o alor espeífio da soja inteira variando de 2048,2 2215,4 J. kg -1. ºC -1 BROOKER, 1974; CELESTINO, 1998). Com isso, onsiderando os erros experimentais, foi utilizada uma média para o alor espeífio da soja om ps = 2311,78 J. kg -1. ºC -1 omo parâmetro de entrada para o modelo matemátio. Da mesma forma, foi exeutado o mesmo experimento para determinação do alor espeífio para o trigo moído, onforme mostrado na TABELA 7, sendo neste aso realizadas 9 medidas: TABELA 7. Calor espeífio para o trigo moído. Umidade φ s ) g água.g subst. seo -1 ) psúmido do trigo úmido J. kg -1. ºC -1 ) 0, , ,84 0, , ,80 0, , ,99 1, , ,79 1, , ,33 1, , ,10 2, , ,79 2, , ,09 2, , ,10 MÉDIA 3643,31 * alulada a partir da Eq. 5), seção 3.7 ps do trigo seo J. kg -1. ºC -1 )* Neste aso, a literatura faz referênia para valores de alor espeífio de grãos de trigo inteiro variando de J. kg -1. ºC -1 RIBEIRO, 2007) e a média para o alor espeífio do trigo moído determinado a partir do experimento foi ps = 3.643,31 J. kg -1. ºC -1. Entretanto, onsiderando que não oorre diferenças signifiativas na mudança dessa propriedade em relação ao formato e tamanho, por ser uma propriedade fisia intrínsea da matéria, o valor utilizado omo parâmetro de entrada para o modelo foi ps = 1590 J. kg -1. ºC -1. Os erros gerados nesse experimento não permitiram a determinação preisa dos alores espeífios dos substratos seos ps ). Esses erros provavelmente deorreram devido a troa de alor om as vizinhanças, fenômeno que não é levado em onta nas equações utilizadas, já que foi onsiderado que o alorímetro é perfeitamente isolado do meio. Esse erro poderia ser 71

85 reduzido om a utilização de um alorímetro om um isolamento mais adequado e om um número maior de resultados Determinação das Densidades dos Substratos A determinação da densidade para ada substrato, tanto para a soja omo para o trigo moído, foi realizada seguindo o proedimento desrito na seção 3.8. Os resultados estão apresentados na TABELA 8, sendo os valores uma média dos experimentos realizados em tripliata a temperatura de C. TABELA 8. Densidades aluladas para a soja bipartida e para o trigo moído. Substrato Densidade g.m -3 ) Umidade de saturação C) g-água. g-subst.-seo -1 ) Soja bipartida 1,15 1,26 Trigo moído 1,06 2,50 Os experimentos para determinação da densidade dos substratos foram realizados om o substrato saturado de água. Isso foi neessário, pois durante o experimento, uma erta massa de substrato era submersa em água dentro de uma proveta para que fosse determinado seu volume. Desta forma, o substrato não poderia mudar sua omposição om a absorção de mais água, que pode alterar tanto o seu volume, massa e onseqüentemente sua densidade. Para os experimentos realizados no biorreator foram utilizadas diferentes umidades para ada substrato, sendo utilizados de 0,9 1,4 g-água.g-subst.seo-1, mas onsiderou-se os valores de densidade para o substrato om umidade saturada no modelo matemátio. O uso de teores de umidade abaixo da umidade de saturação de ada substrato foi para que não houvesse água em exesso durante o ultivo do fungo o qual poderia favoreer o resimento de ontaminantes. Nos experimentos om trigo moído utilizou-se umidades entre 1,0 1,3 g- água. g-subst.-seo-1 para que não houvesse uma gelatinização do amido o que resultaria em um leito om massa ompata que não permitiria a passagem do fluxo de ar através do leito. Uma alternativa seria o uso de outro solvente, neste aso poderia ser um solvente hidrofóbio que permita a determinação do volume de uma massa onheida de substrato, om diferentes 72

86 teores de umidade, e que não seja absorvido pelo substrato ou altere a omposição do mesmo. Desta forma, seria possível determinar uma densidade em relação ao teor de umidade de ada substrato, permitindo utilizar valores de densidade mais próximos da realidade no modelo de inferênia Resultados dos Experimentos Realizados no Biorreator Foram realizados quatro experimentos no biorreator de esala piloto, que onsistiram no ultivo do fungo Rhizopus oryzae em soja bipartida ou em trigo moído. Cada experimento teve a finalidade de obter dados experimentais de temperatura e umidade do leito durante o proesso para validar o modelo matemátio que utiliza o método soft-sense. Além disso, em ada experimento foi sendo otimizada a operação dos equipamentos para se obter dados mais onfiáveis, failitar o trabalho e até mesmo para elaboração dos proedimentos operaionais padrão. A seguir serão apresentados os resultados obtidos em ada experimento e também os resultados obtidos om o modelo matemátio Cultivo do Fungo R. oryzae em Soja Experimento 1 Para a realização do experimento 1, foi utilizada a soja imersa em exesso de água durante um período de 12 horas overnight). As ondições operaionais utilizadas no experimento são demonstradas na TABELA 9, que também foram utilizados omo valores de entrada para o modelo matemátio. Com isso, os resultados de predição da umidade do leito foram omparados om os dados experimentais. Neste experimento foram somente oletadas amostras superfiiais do leito, em tripliata, para determinação da umidade. 73

87 TABELA 9. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 1 om soja. Variáveis Valores Fluxo do Ar de Entrada G) 267,28 kg de ar seo. s -1. m -2 Determinado Pressão da Fase Gasosa P) Pa HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Gás Seo pg ) 1005 J. kg de ar seo -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Vapor de Água pv ) 1791 J. kg de vapor água -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Sólido Seo ps ) 2311,78 J. kg de sólido seo -1. K -1 SWEAT 1986) Capaidade Calorífia da Água Liquida pw ) 4184 J. kg de água líquida -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Densidade da Fase Gasosa ρ g ) 0,964 kg de ar seo. m -3 HIMMELBLAU 1996) Densidade do Substrato Úmido ρ su ) Fração de espaço vazio ε) 1150 kg de subst. úmido. m de subst.umido -3 0,4 m 3 de espaço vazio. m de leito -3 C1, C2, C3, C4, C5-26,072; 0,766; 3,351; 0,549; 410,894 Determinado Determinado Determinado CALÇADA 1998) Entalpia de Vaporização da Água λ) J. kg de água -1 HIMMELBLAU 1996) Umidade Iniial do Substrato φ so ) Coefiiente de rendimento de alor em função ao onsumo de oxigênio Y ) Q / O 2 Coefiiente de rendimento de água em função ao onsumo de oxigênio Y ) W / O 2 Coefiiente de rendimento de gás arbônio em função ao onsumo de oxigênio Y ) CO 2 / O 2 1,26 kg de água. kg de sólido seo -1 Massa molar da Água MH 2 O) 0,018 kg. mol -1 Massa molar do CO 2 MCO 2 ) 0,044 kg. mol -1 Massa molar do O 2 MO 2 ) 0,032 kg. mol -1 Massa molar do Ar MAr) 0,029 kg. mol -1 Determinado 5, J. mol -1 de O 2 BAILEY e OLLIS, 1986) 1,2 mol de H 2 O. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). 1 mol de CO 2. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). Os dados de temperatura foram monitorados a partir do software desenvolvido em Labview. Com isso, os valores de temperatura foram filtrados FIGURA 32) pelo modelo matemátio e utilizados omo valores de entrada para o modelo de inferênia. 74

88 Temperatura do leito C) Tempo h) FIGURA 32. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada. Durante o experimento foram utilizados 60 kg de soja sea, obtendo uma massa total após a absorção de água de aproximadamente 135 kg, que forneeu um leito om altura de 35 m, neessária para obrir pelo menos os três primeiros termopares. Com isso, as temperaturas obtidas pelos termopares nas diferentes alturas do leito FIGURA 32) mostram que houve resimento do mirorganismo devido ao aumento de temperatura promovido pela liberação de alor metabólio e restrição de resfriamento do sistema o que oasionou também a formação de gradientes de temperatura no sentido do fluxo do ar através do leito. Com o aumento de temperatura, que é um fator limitante para o resimento do mirorganismo, o biorreator foi agitado após 24 horas de ultivo, indiado por uma seta no gráfio, onde a temperatura no topo do leito já hegava a valores próximos de 37 C. Houve também uma ompatação do leito durante o experimento, o que formou aminhos prefereniais de fluxo de ar próximos à parede do biorreator e aabou prejudiando a remoção de alor no interior do leito. Essa ompatação pode ter oorrido devido à seagem do leito ou até mesmo devido ao resimento do mirorganismo, onde suas hifas fazem om que aumente 75

89 a resistênia ao fluxo do ar no interior do leito e força o ar a passar próximo às paredes ou por regiões onde existe uma menor resistênia. Assim, omo uma forma de homogeneizar a temperatura do leito e desompatá-lo, o tambor do biorreator foi agitado durante 15 min até que houvesse uma ompleta desompatação do leito. Após agitação a temperatura do leito voltou para torno de 32 a 33 C, sendo está uma temperatura ótima para resimento do fungo R. oryzae DALSENTER, 2005). Além da temperatura, também foram monitoradas as umidades no topo do leito para que os dados experimentais fossem onfrontados om as previsões do modelo matemátio. As umidades tanto do experimento omo as previstas pelo modelo são mostradas na FIGURA Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) Tempo h) FIGURA 33. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) umidade a 33 m em tripliata, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0,86. A umidade do leito aumenta no iníio do experimento nas primeiras 10 horas devido ao resfriamento do leito, o que aaba provoando a ondensação de água no leito e assim aumenta sua umidade. Com o aqueimento do leito após 12 horas de experimento perebe-se uma diminuição de sua umidade provoada pela remoção de alor através da evaporação da água. 76

90 A previsão do modelo onsidera que oorre um aumento de grandeza maior do que aquele observado experimentalmente om a umidade do leito alançando um valor máximo para o topo do leito de 1,42 g-água.g-substrato-seo-1 sendo o valor médio obtido experimentalmente de 1,34 g de água. g substrato seo-1. Com isso, o oefiiente de orrelação de Pearson R), entre a previsão do modelo em relação a média dos valores obtidos experimentalmente foi R = 0,86. Após 12 horas da agitação não se notou a retomada do resimento do fungo que pode ser observada pelo aumento da temperatura do leito, sendo que neste aso o leito ainda teve uma ligeira queda de temperatura até o final do experimento. Isso pode ser devido ao efeito das tensões de isalhamento que podem ter danifiado as hifas do fungo e prejudiado seu resimento, prinipalmente para o fungo R. oryzae utilizado que não possui hifas septadas. Além disso, aabaram prevaleendo outros mirorganismos presentes no leito, omo leveduras e batérias, que não sofreram om a agitação. Esses mirorganismos tiveram um resimento lento, o que não oasionou a formação de gradientes de temperatura devido à liberação de alor metabólio e também produziu odores desagradáveis no restante do experimento, sendo o experimento interrompido às 36 horas de ultivo Experimento 2 Para o experimento 2, foi utilizado 70 kg de soja bipartida, sendo adiionado 0,75 kg de água. kg de substrato seo -1. Nas primeiras 4 horas, a ada hora a mistura do substrato mais água foi agitada para garantir uma absorção homogênea da água pelo substrato e depois a mistura foi deixada em repouso durante um período de 12 horas overnight). Neste experimento foram oletadas amostras em diferentes alturas do leito onforme desrito na seção , em dupliata, para determinação da umidade. Para este experimento e para o modelo matemátio foram utilizadas as seguintes ondições operaionais, demonstradas na TABELA 10: 77

91 TABELA 10. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 2 om soja. Variáveis Valores Fluxo do Ar de Entrada G) 267,28 kg de ar seo. s -1. m -2 Determinado Pressão da Fase Gasosa P) Pa HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Gás Seo pg ) 1005 J. kg de ar seo -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Vapor de Água pv ) 1791 J. kg de vapor água -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Sólido Seo ps ) 2311,78 J. kg de sólido seo -1. K -1 SWEAT 1986) Capaidade Calorífia da Água Liquida pw ) 4184 J. kg de água líquida -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Densidade da Fase Gasosa ρ g ) 0,964 kg de ar seo. m -3 HIMMELBLAU 1996) Densidade do Substrato Úmido ρ su ) Fração de espaço vazio ε) 1150 kg de subst. úmido. m de subst.umido -3 0,4 m 3 de espaço vazio. m de leito -3 C1, C2, C3, C4, C5-26,072; 0,766; 3,351; 0,549; 410,894. Determinado Determinado Determinado CALÇADA 1998) Entalpia de Vaporização da Água λ) J. kg de água -1 HIMMELBLAU 1996) Umidade Iniial do Substrato φ so ) Coefiiente de rendimento de alor em função ao onsumo de oxigênio Y ) Q / O 2 Coefiiente de rendimento de água em função ao onsumo de oxigênio Y ) W / O 2 Coefiiente de rendimento de gás arbônio em função ao onsumo de oxigênio Y ) CO 2 / O 2 0,90 kg de água. kg de sólido seo -1 Massa molar da Água MH 2 O) 0,018 kg. mol -1 Massa molar do CO 2 MCO 2 ) 0,044 kg. mol -1 Massa molar do O 2 MO 2 ) 0,032 kg. mol -1 Massa molar do Ar MAr) 0,029 kg. mol -1 Determinado 5, J. mol -1 de O 2 BAILEY e OLLIS, 1986) 1,2 mol de H 2 O. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). 1 mol de CO 2. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). Os resultados de temperatura monitorados a partir do software desenvolvido em Labview foram então filtrados pelo modelo matemátio, sendo mostrados na FIGURA

92 Temperatura do leito C) Tempo h) FIGURA 34. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada. As temperaturas do leito, obtidas pelos termopares nas diferentes alturas do leito FIGURA 34), mostram que não oorreu a formação de gradientes de temperatura no leito que é oasionado devido a liberação de alor metabólio pelo mirorganismo e as restrições de remoção de alor do leito sólido. Isso pode ter oorrido devido a temperatura do ar de entrada estar muito abaixo da temperatura ótima de 34 C e também pela atividade de água do leito estar abaixo do ótimo para o resimento do fungo. Neste experimento foram monitoradas as umidades em várias alturas do leito. As umidades tanto do experimento omo as previstas pelo modelo são mostradas na FIGURA

93 Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) Tempo h) FIGURA 35. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) umidade a 5 m, ) umidade pelo modelo a 5 m. R = 0,19. Para a altura de 5 m, as previsões do modelo foram em torno de % de diferença em relação a umidade obtida experimentalmente. Nesta altura, a maior parte do leito fiou ompatado no fundo do biorreator Tempo h) FIGURA 36. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. ) umidade a m, ) umidade pelo modelo a 18 m. R = 0,85. 80

94 Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) Tempo h) FIGURA 37. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em soja no biorreator. Δ) umidade a m, ) umidade a m, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0,67. Em todas as posições do leito, além da temperatura estar abaixo da temperatura ótima para o resimento do mirorganismo, outro fator limitante para o resimento pode ter sido a baixa umidade do leito que não forneeu água livre sufiiente para proporionar um resimento, sendo que o leito possuía uma atividade água média para a temperatura de 27 C igual aw s = 0,96, onde nessa atividade água a taxa de resimento do fungo orresponde a 40% da taxa de resimento ótimo om a ws = 0,99 GLENN E ROGERS, 1988). Como uma tentativa de aumentar a umidade do leito, foi adiionado em torno de 14 kg de água e o biorreator foi agitado durante 15 min para uma melhor homogeneização. Desta forma, om o aumento da umidade do leito perebeu-se o aumento da temperatura do leito, alançando uma temperatura de aproximadamente 28,5 C no topo e também a formação de gradientes de temperatura nas 12 horas seguintes após a adição de água, o que evidenia indiretamente o resimento do mirorganismo devido à liberação de alor metabólio. Para as previsões do modelo oorreram variações entre os oefiientes de orrelação para a diferentes posições, no aso da altura de 5 m, onde foi obtido o menor oefiiente, pode ter 81

95 sido devido a ompatação do leito no fundo do biorreator e também pela não orreta homogeneização durante o período de agitação após 36 horas de ultivo, om a aderênia do substrato no fundo do biorreator. Com isso, as previsões do modelo nesse experimento aabam divergindo prinipalmente após o período de agitação, pois o modelo onsidera que o leito é homogêneo, om porosidade onstante e om o fluxo de ar igual através do leito, sendo que isso não foi onseguido experimentalmente Cultivo do Fungo R. oryzae em Trigo Moído Experimento 1 Da mesma forma, também foram realizados experimentos em trigo moído para o ultivo do fungo R. oryzae. A finalidade do uso de um diferente substrato foi avaliar as previsões de umidade do modelo em um proesso que utilizasse um leito om propriedades físio-químias diferentes das da soja. Para o experimento 1, foi utilizado aproximadamente 58 kg de trigo moído adiionados de 1 kg água. kg de substrato seo -1. Para garantir uma absorção homogênea da água pelo substrato, a ada hora a mistura foi agitada, num intervalo de 4 horas, e depois, a mistura foi deixada em repouso durante 12 horas overnight). Para o monitoramento da umidade durante o experimento foram oletadas amostras somente do topo do leito, em tripliata. Com a determinação das propriedades do substrato, foi possível inserir esses parâmetros no modelo e durante o experimento utilizou-se as seguintes ondições operaionais, onforme a TABELA 11: 82

96 TABELA 11. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 1 om trigo moído. Variáveis Valores Fluxo do Ar de Entrada G) 267,28 kg de ar seo. s -1. m -2 Determinado Pressão da Fase Gasosa P) Pa HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Gás Seo pg ) 1005 J. kg de ar seo -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Vapor de Água pv ) 1791 J. kg de vapor água -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Sólido Seo ps ) 1590 J. kg de sólido seo -1. K -1 SWEAT 1986) Capaidade Calorífia da Água Liquida pw ) 4184 J. kg de água líquida -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Densidade da Fase Gasosa ρ g ) 0,964 kg de ar seo. m -3 HIMMELBLAU 1996) Densidade do Substrato Úmido ρ su ) Fração de espaço vazio ε) 1060 kg de subst. úmido. m de subst.umido -3 0,2 m 3 de espaço vazio. m de leito -3 C1, C2, C3, C4, C5 0,245; 0,016; 2,129; 0,005; 31,163. Determinado Determinado Determinado CALÇADA 1998) Entalpia de Vaporização da Água λ) J. kg de água -1 HIMMELBLAU 1996) Umidade Iniial do Substrato φ so ) Coefiiente de rendimento de alor em função ao onsumo de oxigênio Y ) Q / O 2 Coefiiente de rendimento de água em função ao onsumo de oxigênio Y ) W / O 2 Coefiiente de rendimento de gás arbônio em função ao onsumo de oxigênio Y ) CO 2 / O 2 1,06 kg de água. kg de sólido seo -1 Massa molar da Água MH 2 O) 0,018 kg. mol -1 Massa molar do CO 2 MCO 2 ) 0,044 kg. mol -1 Massa molar do O 2 MO 2 ) 0,032 kg. mol -1 Massa molar do Ar MAr) 0,029 kg. mol -1 Determinado 5, J. mol -1 de O 2 BAILEY e OLLIS, 1986) 1,2 mol de H 2 O. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). 1 mol de CO 2. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). Os resultados de temperatura monitorados foram filtrados pelo modelo matemátio e são mostrados na FIGURA

97 Temperatura do leito C) Tempo h) FIGURA 38. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada. Neste experimento onseguiu-se manter a temperatura do ar de entrada entre os valores de 30 a 35 C, sendo esses valores ótimos para o resimento do fungo R. oryzae. Nas primeiras 15 horas de ultivo houve um aqueimento do leito devido o aqueimento que foi imposto nas aixas de água do sistema de umidifiação do ar. Com o aqueimento do ar, foi possível evideniar a influênia dessa variação, sendo observado om isso que havia um equilíbrio entre a temperatura do ar de entrada om as temperaturas do leito durante a fase de adaptação do mirorganismo onheida omo fase lag. Com o iníio da atividade metabólia do fungo oorreu aumento da temperatura do leito, hegando a aproximadamente 37 C, onde foi feita a primeira agitação às 26 horas do ultivo, restabeleendo a temperatura do leito para aproximadamente 31 C. Após a primeira agitação, a temperatura do ar foi mantida entre C, mas omo a atividade metabólia do fungo ainda estava alta, oorreu um aumento de temperatura e a formação de gradientes, hegando a temperatura 40,5 C no topo do leito em aproximadamente 8 horas, om um ΔT = 9,5 C, onde se proedeu a segunda agitação às 34 horas de ultivo para restabeleer a temperatura do leito para 30 C e ao mesmo tempo para permitir a desompatação do mesmo para evitar a 84

98 Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) formação de aminhos prefereniais do fluxo do ar que pode prejudiar a efiiênia na remoção do alor do leito. Como o mirorganismo foi submetido a temperaturas elevadas durante o experimento, prinipalmente entre a primeira e a segunda agitação aonde a temperatura do topo do leito hegou a valores de 40,5 C, ujo são deletérias para os omponentes bioquímios, omo as enzimas que partiipam do metabolismo, a elevação de temperatura e a formação de gradientes foram mais lentas devidas estas defiiênias após a segunda agitação DALSENTER et al., 2005), sendo que até o final do experimento, em 8 horas após a segunda agitação, temos um ΔT = 6,5 C. Também foi monitorada experimentalmente a umidade no topo do leito, sendo esses valores demonstrados juntamente om a previsão do modelo na FIGURA Tempo h) FIGURA 39. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a 33 m, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0,33. A estimativa de umidade alulada pelo modelo, em relação aos dados experimentais de umidade durante as primeiras 24 horas de ultivo, teve neste período um oefiiente de 85

99 orrelação R = 0,52. Após a primeira agitação, a estimativa do modelo teve um desvio signifiativo em relação aos dados experimentais. Esse desvio oasionado após a primeira agitação pode ter oorrido devido a não orreta homogeneização do leito, pois o mesmo estava ompatado, o que oasionou a formação de bloos onsistentes e pode ter interferido na amostragem para a determinação da umidade do leito. Mesmo assim, após a primeira agitação os dados experimentais de umidade tendem a permaneer onstante e ainda aumentam após a segunda agitação, sendo que na previsão do modelo a umidade do topo do leito tende a diminuir durante o ultivo. Um fator que pode ter influeniado signifiativamente no experimento seria a alteração das propriedades do leito, prinipalmente da isoterma devido o resimento do mirorganismo, que desta forma aumentaria a apaidade do leito em reter água para uma determinada atividade água e temperatura, sendo que o modelo não leva isso em onsideração Experimento 2 No segundo experimento de ultivo em trigo moído, foi utilizado aproximadamente 58 kg de trigo moído adiionados de 1,2 kg-água. kg-substrato-seo -1. A ada hora a mistura substrato mais água foi agitada, durante um período de 4 horas, para oorrer uma absorção homogênea da água pelo substrato, após isso a mistura foi deixada em repouso durante um período de 12 horas overnight). Neste experimento foi realizado o monitoramento da umidade em diferentes posições do leito durante o ultivo do fungo. Para este experimento utilizou-se as seguintes ondições operaionais, onforme a TABELA 12: 86

100 TABELA 12. Condições operaionais utilizadas durante o experimento 2 om trigo moído. Variáveis Valores Fluxo do Ar de Entrada G) 267,28 kg de ar seo. s -1. m -2 Determinado Pressão da Fase Gasosa P) Pa HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Gás Seo pg ) 1005 J. kg de ar seo -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Vapor de Água pv ) 1791 J. kg de vapor água -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Capaidade Calorífia do Sólido Seo ps ) 1590 J. kg de sólido seo -1. K -1 SWEAT 1986) Capaidade Calorífia da Água Liquida pw ) 4184 J. kg de água líquida -1. K -1 HIMMELBLAU 1996) Densidade da Fase Gasosa ρ g ) 0,964 kg de ar seo. m -3 HIMMELBLAU 1996) Densidade do Substrato Úmido ρ su ) Fração de espaço vazio ε) 1060 kg de subst. úmido. m de subst.umido -3 0,2 m 3 de espaço vazio. m de leito -3 C1, C2, C3, C4, C5 0,245; 0,016; 2,129; 0,005; 31,163. Determinado Determinado Determinado CALÇADA 1998) Entalpia de Vaporização da Água λ) J. kg de água -1 HIMMELBLAU 1996) Umidade Iniial do Substrato φ so ) Coefiiente de rendimento de alor em função ao onsumo de oxigênio Y ) Q / O 2 Coefiiente de rendimento de água em função ao onsumo de oxigênio Y ) W / O 2 Coefiiente de rendimento de gás arbônio em função ao onsumo de oxigênio Y ) CO 2 / O 2 1,33 kg de água. kg de sólido seo -1 Determinado 5, J. mol -1 de O 2 BAILEY e OLLIS, 1986) 1,2 mol de H 2 O. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). 1 mol de CO 2. mol -1 O 2 NAGEL et al., 2001). Massa molar da Água MH 2 O) 0,018 kg. mol -1 Esolhido Massa molar do CO 2 MCO 2 ) 0,044 kg. mol -1 Esolhido Massa molar do O 2 MO 2 ) 0,032 kg. mol -1 Esolhido Massa molar do Ar MAr) 0,029 kg. mol -1 Esolhido Os valores de temperatura filtrados pelo modelo matemátio são mostrados na FIGURA

101 Temperatura do leito C) Tempo h) FIGURA 40. Temperaturas monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) temperatura a 5 m, ) temperatura filtrada a 5m, ) temperatura filtrada a 18 m, ) temperatura filtrada a 33 m, ) temperatura filtrada do ar de entrada. No experimento 2, onde ultivou-se o fungo em trigo moído, oorreu um aumento da temperatura do leito, atingindo a valores máximos de 34 C no topo do leito em 28 horas, omo uma diferença de temperatura de aproximadamente 5 C em relação à temperatura do ar de entrada. Para o experimento 1, esse resultado em relação a mesma diferença de 5 C entre a temperatura do topo e a temperatura do ar de entrada para o experimento 1, foi obtido em 24 horas, o que demonstra que a atividade metabólia do mirorganismo foi ótima para temperaturas do ar de entrada entre 30 C e 34 C, onforme utilizado no experimento 1. A seguir estão demonstradas as previsões do modelo e os dados experimentais de umidade para ada altura do leito. 88

102 Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) Tempo h) FIGURA 41. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a 0-5 m, )umidade a 5-10 m, ) umidade pelo modelo a 5 m. R = 0, Tempo h) FIGURA 42. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a m, )umidade a m, ) umidade pelo modelo a 18 m. R = 0,82. 89

103 Umidade do leito φs) g água. g sólido seo -1 ) Tempo h) FIGURA 43. Umidades do leito monitoradas durante o ultivo em trigo moído no biorreator. ) umidade a m, )umidade a m, Δ) umidade a m, ) umidade pelo modelo a 33 m. R = 0,40. O evento de agitação foi realizado da mesma forma desrita na seção para que houve-se uma diminuição da temperatura do leito e também uma desompatação. Mas fiou evidente que após o período de agitação o leito estava ainda ompatado, prinipalmente no fundo do biorreator, o que não permite uma adequada homogeneização do leito e assim aaba influeniando na amostragem para a determinação de umidade. Neste aso, o nível da efiiênia de homogeneização do leito nos períodos de agitação deve ser investigado om mais autela, sendo neessário estabeleer um novo proedimento de agitação para onseguir uma orreta homogeneização. Outro importante fator que influeniou nos experimentos foi o resimento do fungo om a formação de biomassa, o qual altera as propriedades do leito durante o ultivo. Geralmente, após agitação, a amostragem dos dados india um aumento da umidade do leito nas diferentes posições do leito e as previsões do modelo indiam uma diminuição da umidade, oorrendo 90

104 assim uma divergênia entre as previsões do modelo em relação aos dados de umidade durante o ultivo após a primeira agitação. Com base nos resultados, para determinação da isoterma dos substratos, verifiou-se o fato de que o resimento de ontaminantes durante o experimento realmente altera a isoterma dos substratos, o que india a neessidade de inluir a esta isoterma da biomassa dentro do modelo matemátio para então realizar novas previsões da umidade do leito do biorreator durante o resimento do fungo R. oryzae. Sabendo que o resimento de biomassa altera a isoterma do substrato MARQUES et al., 2006), foram então estudadas diferentes possibilidades para se determinar a isoterma da biomassa para inlusão no modelo de inferênia. Dentre essas possibilidades podemos utilizar alguns métodos indiretos para estimar a biomassa nos estudos da fermentação sólida através da determinação de proteínas, gluosaminas NOPHARATANA, 1999) ou pelo onsumo de O 2 para podermos determinar a biomassa. Porém nenhum destes métodos é realmente onfiável para o substrato e o mirorganismo utilizados neste projeto. Por isso, tentou-se desenvolver uma metodologia para determinação da isoterma para biomassa pura. No tratamento da biomassa, levou-se em onta que deveria haver inibição do metabolismo do fungo, para inibir o resimento ou até mesmo as reações de autólise que alteram a omposição e quantidade de biomassa ao longo do tempo, mas essa inibição não poderia alterar de forma signifiativa as propriedades da biomassa. Nesse tratamento, utilizouse luz ultravioleta a 280 nm omo uma forma de inibir o metabolismo do mirorganismo sem alterar sua omposição e estrutura de forma signifiativa MARQUES, 2005), mas omo havia uma quantidade signifiativa de biomassa a inibição om luz ultravioleta não funionou, pois está tem somente ação superfiial om no máximo 1 mm de profundidade de ação. Em relação aos resultados de estimativa de umidade obtidos pelo modelo de inferênia, a simplifiação utilizada neste modelo que onsiderada o equilíbrio entre a fase gasosa e a fase sólida do leito não é garantida. O equilíbrio entre as duas fases pode ser afetado por diversos fatores, omo o fluxo de ar de entrada que neste é alulada onsiderando a utilização de ar seo, sendo que experimentalmente eram obtidos um fluxo de ar om umidade ambiente desonheida. Com isso, a veloidade superfiial do ar altera durante o experimento o que 91

105 onseqüentemente altera a taxa de liberação de alor metabólio e a taxa de seagem do leito WEBER, 2002). Além de variação do fluxo do ar de entrada, outro fator de importante influênia seria a alteração da porosidade do leito devido à agregação das partíulas sólidas provoada pelo resimento do mirorganismo, o qual reduz a área efetiva entre as duas fases. Esta variação pode ter ontribuído negativamente no equilíbrio entre as duas fases, sendo que no modelo esta variável foi onsiderada onstante ao longo do ultivo. Uma onsideração que pode não ser válida também experimentalmente seria a manutenção da saturação da umidade do ar. Caso o ar de saída não esteja totalmente saturado, isto poderá ausar uma influênia negativa durante as previsões do modelo, pois om o ar saindo do leito abaixo da saturação oorre uma menor de água do leito em relação ao que é onsiderado pelo modelo om o ar saindo saturado de água. Da mesma forma, a determinação da produção do alor metabólio determinado na Eq. 19), onsidera em um dos seus termos a liberação de alor devido a evaporação para o ar saturado H sat ), sendo que aso a saturação do ar não seja alançada no ultivo, isto aaba influeniando deste a determinação da matéria sea e no balanço de água que toma omo base a produção de alor metabólio para álulo das demais variáveis pelo modelo. Para avaliação destes desvios em relação a saturação do ar que podem oorrer durante o experimento, pode-se utilizar sensores de umidade na saída do ar para verifiação da umidade, lembrando que os sensores atuais não funionam de forma onfiável para umidades aima de 95%. Entretanto, a simplifiação utilizada pelo modelo de inferênia apresentado difere em relação aos modelos de estimativa on-line em relação as variáveis monitoradas no proesso que utilizam o monitoramento do O 2 onsumido, CO 2 produzido e a temperatura de saída do ar NAGEL et. al, 2001), o onsumo de O 2, a taxa de produção de CO 2, a temperatura e umidade do ar de entrada PEÑA Y LILLO et. al, 2001). Em relação ao modelo que somente utilizou o monitoramento da temperatura por termopares e onsidera que a atividade de água do substrato é aproximadamente 1 KHANAHMADI et. al, 2006), o modelo apresentado difere quanto a onsideração que a atividade de água entre a fase sólida e a fase gasosa está em equilíbrio e que a atividade de água do substrato é obtida através da isoterma do substrato determinada experimentalmente no laboratório. 92

106 A utilização de somente o monitoramento das variáveis respirométrias omo o O 2 e CO 2 pode não ser adequada para leito om alturas onde oorrem a formação de gradientes de temperatura e onseqüentemente gradientes de umidade. Modelos que utilizam estas variáveis omo parâmetros de entrada somente são apazes de estimar a média da umidade do leito. Nos asos onde oorrem esses gradientes, tanto de temperatura omo de umidade do leito, algumas partes do leito podem atingir valores que podem limitar o resimento do mirorganismo. Assim, o uso de termopares em diversas posições do leito e utilizando a temperatura monitorada omo parâmetro de entrada, omo utilizado pelo modelo de inferênia apresentado, pode nos forneer uma previsão da umidade nas diferentes seções do leito entre dois termopares Análise de Sensibilidade do Modelo Sabendo que durante a metodologia apliada para a determinação da isoterma podem oorrer erros experimentais, está análise de variação da isoterma foi neessária para podermos avaliar o efeito desses erros ou até mesmo para investigar a influênia dessas variações que podem ser promovidas pelo resimento do fungo durante seu ultivo na determinação indireta da umidade pelo modelo matemátio. A análise de sensibilidade do modelo foi realizada através de alterações nos valores da isoterma determinada experimentalmente tanto para soja omo para o trigo moído. Para isso, foi realizado um planejamento fatorial, onde a partir da variação dos valores da isoterma determinada experimentalmente foram determinados outros parâmetros da isoterma de Calçada 1998) orrespondentes para ada temperatura utilizando o software TKSolver. Com o uso desses novos parâmetros ompararam-se os resultados previstos de umidade om os resultados de umidade obtidos através do ultivo do fungo em soja e em trigo. Essa omparação dos resultados foi analisada a partir do oefiiente de orrelação para ada variação de isoterma. Desta forma, a partir das variações de +/-10% e +/-20% na isoterma foram obtidos valores dos parâmetros C1, C2, C3, C4 e C5 da isoterma de Calçada 1998) e a partir disso foram estimadas as umidades em três alturas do leito 5, 18 e 33 m) pelo modelo de inferênia e o 93

107 fator de orrelação entre os resultados de umidade foi determinado em relação aos dados de umidade durante o ultivo, sendo utilizado o software TKSolver, sub-rotina CORR, sendo esses resultados mostrados na TABELA 13. TABELA 13. Avaliação da sensibilidade do modelo em relação a variações da isoterma da soja. Variação na R %) R %) R %) Parâmetros da Isoterma de Isoterma da Altura Altura Altura Calçada 1998) Soja 0-10 m) m) m) C1 = -25,349; C2 = 0,889; 0,8 C3 = 3,345; C4 = 0,549; 22,75 74,46 67,31 C5 = 411,199 0,9 C1 = -25,741; C2 = 0,824; C3 = 3,346; C4 = 0,549; 22,24 77,96 65,91 C5 = 411,174 1 C1 = -26,072; C2 = 0,766; C3 = 3,351; C4 = 0,549; 19,24 84,71 67,31 C5 = 410,894 1,1 C1 = -33,877; C2 = 0,845; C3 = 4,252; C4=0,697; 19,24 83,99 71,17 C5 = 521,769 1,2 C1 = -26,072; C2 = 0,766; C3 = 3,351; C4 = 0,549; C5 = 410,894 19,24 83,07 69,39 Essas variações impostas na isoterma da soja mostram que oorreu aumento no oefiiente de orrelação para as alturas próximas a base do leito nas variações de isoterma menores que 1. Entretanto, para as variações na isoterma maiores que 1, houve uma melhora nos fatores de orrelação para as umidades previstas pelo modelo em relação as umidades durante o ultivo para o topo do leito e também os oefiientes em relação a altura intermediária permaneeram pratiamente onstantes. 94

108 TABELA 14. Avaliação da sensibilidade do modelo em relação a variações da isoterma do trigo. Variação na R %) R %) R %) Parâmetros da Isoterma de Isoterma do Altura Altura Altura Calçada 1998) trigo 0-10 m) m) m) C1 = 0,720; C2 = 0,017; 0,8 C3 = 2,129; C4 = 0,005; 43,76 70,33 41,58 C5 = 31,164 0,9 C1 = 0,469; C2 = 0,016; C3 = 2,129; C4 = 0,005; 45,43 70,83 41,58 C5 = 31,163 1 C1 = 0,245; C2 = 0,016 C3 = 2,129; C4 = 0,005; 41,46 82,96 40,38 C5 = 31,163 1,1 C1 = 0,042; C2 = 0,016; C3 = 2,129; C4 = 0,005; 43,78 71,31 41,88 C5 = 31;164 1,2 C1 = -0,143; C2 = 0,015; C3 = 2,129; C4 = 0,005; C5 = 31,163 40,01 69,74 42,96 Para as variações na isoterma do trigo moído foram obtidos aumento no oefiiente de orrelação entre as umidades previstas pelo modelo e as umidades do experimento para alturas também próximas a base do leito nas variações de isoterma menores que 1. Para as variações na isoterma maiores que 1, houve uma melhora nos fatores de orrelação para as umidades previstas pelo modelo em relação as umidades durante o ultivo para o topo do leito. Quanto aos oefiientes de orrelação em relação a altura intermediária do leito houve uma diminuição signifiativa. Os resultados apresentados para investigar o efeito das variações que podem aonteer na determinação da isoterma na previsão da umidade pelo modelo neessitam ser mais bem investigado para variações na isoterma ainda maiores. Com base nos resultados obtidos nessa análise podemos ter uma indiação de omo essas variações podem afetar nas previsões do modelo, prinipalmente avaliar qual efeito teria o resimento da biomassa durante os experimentos do ultivo que variam a isoterma do leito. 95

109 6. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou o desenvolvimento de um modelo para determinação indireta da umidade do leito de um biorreator de fermentação em estado sólido de esala piloto a partir da temperatura monitorada do leito a da temperatura do ar de entrada e saída. Como o modelo de inferênia neessita de algumas propriedades do leito, em laboratório foram desenvolvidas metodologias para a determinação desses parâmetros. Então, para ada tipo de substrato foi realizado a determinação da porosidade do leito, alor espeífio, densidade e isoterma do substrato em diferentes temperaturas. Com base nos ensaios em laboratório foi possível ter uma indiação da viabilidade de uso de determinado substrato, sendo utilizados nos experimentos de ultivo do fungo sobre soja ou em trigo moído no biorreator. Nos experimentos onde se utilizou um exesso de água para umidifiar o substrato, este exesso favoreeu o resimento de ontaminantes, omo no aso do experimento 1 utilizando a soja omo substrato. Além de a alta umidade iniial favoreer o desenvolvimento de outros mirorganismos oorreu também em alguns ensaios de laboratório a gelatinização do amido quando se utilizou trigo moído, sendo que neste aso devido à eliminação da porosidade do leito a passagem do fluxo de ar seria interrompida. Por isso, torna-se neessário investigar todas as propriedades do substrato em diferentes teores de umidade para determinar se o mesmo poderá ser utilizado para a formação do leito no biorreator de esala piloto. Determinado o substrato, outro passo importante foi a produção do inoulo para o biorreator. Como o sistema utilizado não permite trabalhar de forma esterilizada, a estratégia adotada para garantir o resimento do mirorganismo de interesse foi o de utilizar um inoulo om alta onentração de esporos em torno de esporos. g-subst-seo -1, assim se garantiu a sua prevalênia durante o ultivo. Estas etapas que anteedem o experimento de ultivo são de muita importânia para não se pera tempo nem dinheiro devido aos gastos e esforços para se trabalhar em esala piloto. Considerando os experimentos de ultivo, então é neessário realizar a onferênia dos 96

110 diferentes equipamentos assim omo a alibração dos sensores para a obtenção de dados experimentais mais onfiáveis e para a eliminação de erros grosseiros, sendo estes dados utilizados pelo modelo de inferênia. A partir das temperaturas obtidas do experimento de ultivo nos diferentes substratos, primeiramente foi feito um tratamento desses dados para então eliminar erros devido a interferênias externas, onheidas omo ruídos, através de uma seqüênia de filtros digitais. A partir disso as temperaturas monitoradas foram utilizadas omo parâmetros de entrada para a determinação indireta da umidade do leito através do modelo que onsidera o equilíbrio entre a fase sólida e a fase gasosa em termos de temperatura e atividade água. As previsões do modelo em relação aos dados experimentais obtidos para a soja no experimento 1 obtiveram um fator de orrelação de 0,86, indiando num primeiro momento a possibilidade da utilização esse modelo para a determinação da umidade. No experimento 2, onde se utilizou soja omo substrato, devido atividade água do substrato estar abaixo do ótimo para o resimento do fungo R. oryzae não houve aumento da temperatura do leito. Uma estratégia adotada foi a adição de água ao leito no período de agitação, sendo que após a agitação houve um desvio signifiativo em relação as previsões de umidade para diferentes alturas do leito e os resultados de umidade obtidos experimentalmente. Para os resultados obtidos a partir do resimento do fungo sobre trigo moído, no experimento 1 o oefiiente de orrelação entre os dados experimentais de umidade e as previsões do modelo foram de 0,56 até o primeiro evento de agitação. Após isso as previsões do modelo divergiram, prevendo uma maior taxa de seagem do leito ao longo do tempo em relação aos resultados experimentais. Para o experimento 2, os fatores de orrelação entre as previsões do modelo e os dados de umidade experimentais foram melhores para as diferentes posições do leito, mas de qualquer forma, após o evento de agitação o modelo ontinuou prevendo uma maior taxa de seagem do leito em relação aos resultados do ultivo. Para aprimoramento do modelo de inferênia, foram investigadas as variações que a presença de biomassa pode provoar na isoterma do leito do substrato. Para isso, foram realizadas análises para avaliar a influênia disso nas previsões de umidade omparadas om as umidades obtidas experimentalmente. Para as variações realizadas na isoterma da soja em

111 e +20%, no geral houve uma melhora na onordânia das previsões om os resultados de umidade do ultivo assim omo para as variações da isoterma de trigo moído. Nos modelos que utilizaram as variáveis respirométrias, omo o O 2 e CO 2, para determinação do onteúdo de umidade da fase sólida, obtiveram variações entre a previsão do modelo e os dados experimentais de 30% no final do experimento PEÑA Y LILLO et. al, 2001), porém esses modelos não eram apazes de prever os gradientes de umidade que são formados no interior do leito. Assim, além de ser uma maneira mais eonômia a utilização de termopares, a utilização das temperaturas nas diferentes posições do leito omo variáveis de entrada do modelo de inferênia permite a previsão da umidade nas diferentes posições do leito. Entretanto, para a otimização do modelo, serão neessários algumas tomadas das variáveis de entrada para evitar erros grosseiros omo a determinação do fluxo do ar seo de entrada, pois a vazão medida durante o experimento deverá ser monitorada junto om um sensor de umidade e temperatura do ar de entrada sensor RHT), para então determinar om preisão a vazão do ar seo que entra no biorreator. Em estudos futuros é sugerida a verifiação da saturação do ar ao longo do leito que é onsiderado neste modelo e também o monitoramento de outras variáveis do proesso para então omparar as previsões do modelo e assim poder otimizá-lo, omo por exemplo, o O 2 onsumido. 98

112 7. SUGESTÕES E TRABALHOS FUTUROS Para a otimização do modelo de inferênia deverão ser realizados algumas determinações de outras variáveis do proesso, omo por exemplo, a vazão do ar de entrada que é utilizada pelo modelo. Nos experimentos utilizou-se a vazão do ar om umidade desonheida e para os álulos om o modelo assumiu-se que a vazão do ar seo seria a mesma vazão determinada experimentalmente. Neste aso, pode-se então utilizar um medidor de umidade e temperatura sensor RHT), antes do medidor de vazão instalado junto ao filtro de ar do proesso, para registrar as temperaturas e umidades do ar que varia de aordo om as ondições ambientais. Com isso, utilizando a lei dos gases perfeitos, será possível determinar a vazão de ar seo na entrada ao longo do experimento. Além disso, poderão ser feitos o monitoramento de outras variáveis do proesso, omo a taxa de onsumo de O 2 e produção de CO 2, para investigar a onsistênia do modelo através da omparação entre os valores obtidos do experimento om os valores estimados pelo modelo ao longo do ultivo no biorreator. Outro fator importante será a inorporação do efeito da biomassa sobre a isoterma do leito, e a inorporação de equações da inétia de resimento do fungo R. oryzae no modelo de inferênia, para então omparar as estimativas da umidade do leito om os valores de umidade obtidos nos diferentes experimentos de ultivo. Dentre as onsiderações feitas no desenvolvimento do modelo apresentado, a onsideração da saturação do ar no leito, sendo neessário o seu monitoramento através da utilização de um sistema de monitoramento da umidade relativa próximo à saturação e temperatura do ar na entrada e saída do biorreator. Outros proedimentos operaionais também devem ser revistos, omo por exemplo, a padronização dos eventos de agitação para que oorra uma orreta homogeneização do leito. 99

113 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASHLEY, V.M.; MITCHELL, D. A.; HOWES, T. Evaluating strategies for overoming overheating problems during solid state fermentation in paked bed bioreators. Biohemial Engineering Journal 32), p , 1999). AURIA, R.; MORALES, M.; VILLEGAS, E.; REVAH, S. Influene of mold growth on the pressure drop in aerated solid state fermentors. Biotehnol Bioeng 41), p , 1993). BAILEY, J.E.; OLLIS, D.F. Biohemial Engineering Fundamentals. MGraw-Hill Eduation, p , 1986). BELLON-MAUREL, V.; ORLIAC, O.; CHRISTEN, P. Sensors and measurements in solid state fermentation: a review. Proess Biohem. 38), p , 2003). BOYETTE, C.D.; QUIMBY JR., P.C.; CONNICK JR., W.J.; DAIGLE, D.J.; FULGHAM, F.E. Progress in the prodution, formulation and appliation of myoherbiides. D.O. TeBeest ed), Mirobial Control of Weeds, p , Chapman & Hall, New York, 1991). BRODGESELL, A.; LIPTÁK, B.G. Analytial instrumentation moisture in solids). Lipták BG ed) Instrument engineers handbook: proess measurement and analysis. Chilton Book Company, Radnor, Pennsylvania, p , 1995). BROOKER, D. V.; BAKKER-ARKEMA, F. W., HALL, C. W. Drying Cereal Grains. The Avi Publishing Company, In., Westport, 1974). CALÇADA, L.A. Seagem de materiais granulares porosos. Tese PhD), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, 1998). 100

114 CELESTINO, S. M. C. Transferênia de Calor e Massa em Leito Deslizante e Esoamentos Conorrentes: Seagem de Sementes de Soja. Universidade Federal de Uberlândia, 1998). CHIRIFE, J.; RESNIK, S.L. Unsaturated solutions of sodium hloride as referene soure of water ativity at various temperatures. Journal of Food Siene, 49), p , 1984). CREUS, A. Humedad en sólidos. Marombo A ed) Instrumentaión industrial, 6th edn. Boixareu Editores, Colombia, p , 1998a). CREUS, A. Conentraión de gases. Marombo A ed) Instrumentaión industrial, 6th edn. Boixareu Editores, Colômbia, p , 1998b). CREUS, A. Otras variables. Marombo A ed) Instrumentaión industrial, 6th edn. Boixareu Editores, Colômbia, p , 1998). DALSENTER, F. D. H.; VICCINI, G.; BARGA, M. C.; MITCHELL, D. A.; KRIEGER, N. A mathematial model desribing the effet of temperature variations on the kinetis of mirobial growth in solid-state ulture. Proess biohemistry, 40), p , 2005). DALSENTER, F.D.H. Efeito da temperatura na inétia de resimento de Rhizopus oryzae em fermentação no estado sólido. Tese Doutorado em Ciênias Bioquímia)), Universidade Federal do Paraná, Conselho Naional de Desenvolvimento Científio e Tenológio. Orientador: David Alexander Mithell, 2005). DURAND, A.; CHEREAU, D. A new pilot reator for solid-state fermentation: Appliation to the protein enrihment of sugar beet pulp. Biotehnology and Bioengineering 31), p , 1988). FERNÁNDEZ, M.; ANANÍAS, J.; SOLAR, I.; PEREZ, R.; CHANG, L.; AGOSIN, E. Advanes in the de-velopment of a ontrol system for a solid substrate pilot bioreator. Roussos S, Lon-sane BK, Raimbault M, Viniegra-González G eds) Advanes in Solid State Fermentation. Kluwer Aademi Publishers, Dordreht, p , 1997). 101

115 FUNG, C.J.; MITCHELL, D.A. Baffles inrease performane of solid-state fermentation in rotating drums. Biotehnology Tehniques 9), p , 1995). GLENN, D.R.; ROGERS, P.L. A solid substrate proess for an animal feed produt: Studies on fungal strain improvement. Australian J Biotehnol 21), p , 1988). HARDIN, M.T.; MITCHELL, D.A. Reent developments in the design, operation and modelling of bioreators for solid-state fermentation. Reent Researh Developments in Fermentation and Bioengineering, 1), p Edited by F Kaowai & K, Sasaki, Researh Signpost: Trivandrum, 1998). HARDIN, M.T; HOWES, T; MITCHELL, D.A. Residene time distributions of gas flowing through rotating drum bioreators. Biotehnology and Bioengineering 74), p , 2001). HARDIN, MT; HOWES, T; MITCHELL. D.A. Mass transfer orrelations for rotating drum bioreators. Journal of Biotehnology 971), p , 2002). HIMMELBLAU, D. M. Basi Priniples and Calulations in Chemial Engineering, 6th ed. Prentie Hall, Upper Saddle River, 1996). IKASARI, L.; MITCHELL, D.A.; STUART, D.M. Response of Rhizopus oligosporus to temporal temperature profiles in a model solid-state fermentation system. Biotehnology and Bioengineering 64 6), p , 1999). KAMINSKI, R.K.; RAZAQ, M.; LIPTÁK, B.G. Analytial instrumentation oxygen in gases). Lipták BG ed) Instrument engineers handbook: proess measurement and analysis. Chilton Book Company, Radnor, Pennsylvania, p , 1995). KHANAHMADI, M.; MITCHELL, D.A.; BEHESHTI, M.; ROOSTAAZAD, R.; SANCHEZ, L.R. Continuous solid state fermentation as affeted by substrate flow pattern. Chemial Engineeering Siene, 61), p , 2006). 102

116 KHANAHMADI, M.; ROOSTAAZAD, R.; MITCHELL, D. A.; MIRANZADEH, M.; BOZORGMEHRI, R.; SAFEKORDI, A. Bed moisture estimation by monitoring of air stream temperature rise in paked-bed solid-state fermentation. Chemial Engineering Siene, 6116), p , 2006). KOSSEN, N.W.F.; OOSTERHUIS, N.M.G. Modelling and saling up of bioreators. Biotehnology, 2.), Ed. H.J. REHM & G. REED, Verlag Chemie. Weinheim, p , 1981). LOMAS, D.J.; LIPTÁK, G.B. Flow measurement appliation and seletion). Lipták BG ed) Instrument engineers handbook: proess measurement and analysis. Chilton Book Company, Radnor, Pennsylvania, p , 1995). LONSANE, B. K.; SAUCEDO-CASTANEDA, G.; RAIMBAULT, M.; ROUSSOS, S.; VINIEGRA-GONZALEZ, G.; GHILDYAL, N. P.; RAMAKRISHNA, M.; KRISHNAIAH, M. M. Sale-up strategies for solid state fermentation systems. Proess Biohem. 27), p , 1992). MARQUES, B. C. Estudo de sistemas de fermentação em estado sólido em esala piloto. Dissertação Mestrado em Engenharia), Universidade Federal do Paraná, Conselho Naional de Desenvolvimento Científio e Tenológio. Orientador: David Alexander Mithell, 2005). MARQUES, B. C; BARGA, M. C.; BALMANT, W.; LUZ JR, L. F. L.; KRIEGER, N.; MITCHELL, D. A. A model of the effet of the mirobial biomass on the isotherm of the fermenting solids in solid state fermentation. Food Tehnology and Biotehnology, 44), p , 2006). MITCHELL, D.A.; BEROVIC, M.; KRIEGER, N. Biohemial engineering aspets of solid state bioproessing. Advanes in Biohemial Engineering/Biotehnology, 68), p , 2000a). 103

117 MITCHELL, D.A.; BEROVIC, M.; KRIEGER, N. Overview of solid state bioproessing. Biotehnology Annual Review, 8), p , Edited by EL-GEWELY, M,R, 2002). MITCHELL, D.A.; LONSANE, B.K.; DURAND, A.; RENAUD, R.; ALMANZA, S.; MARATRAY, J.; DESGRANGES, C.; CROOKE, P.S.; HONG, K.; TANNER, R.D.; MALANEY, G.W. General Priniples of Reator design and operation for SSC. Doelle HW, Mithell DA, Rolz CE eds), Solid substrate ultivation. Elsevier Applied Siene, London, p , 1992). MITCHELL, D.A.; PANDEY, A.; SANGSURASAK, P.; KRIEGER, N. Sale-up strategies for paked-bed bioreators for solid-state fermentation. Proess Biohemistry 351-2), p , 1999). MITCHELL, D.A.; TONGTA, A; STUART, D.M; KRIEGER, N. The potential for establishment of axial temperature profiles during solid-state fermentation in rotating drum bioreators. Biotehnology and Bioengineering, 801), p , 2002a). MITCHELL, D.A.; VON MEIEN, O.F. Mathematial modeling as a tool to investigate the design and operation of the zymotis paked-bed bioreator for solid-state fermentation. Biotehnology and Bioengineering, 68 2), p , 2000). MITCHELL, D.A.; VON MEIEN, O.F.; KRIEGER, N. Reent developments in modeling of solid-state fermentation: heat and mass transfer in bioreators. Biohemial Engineering Journal, ), p , 2002). MITCHELL, D.A.;KRIEGER, N; BEROVIC, M. Solid State Fermentation Bioreators: Fundamental of Design and Operation. Springer, 1ª ed., 2006). MONTAGUE, G. Monitoring and ontrol of fermenters. Institution of Chemial Engineering, UK, 1997). MOO-YOUNG, M.; MOREIRA, A.R.; TENGERDY, R.P. The Filamentous Fungus. Vol 4, Chap. 5 Oxford and IBH publisher, New Delhi, India, 1983). 104

118 MORIN, L. Realizing the potential of bioherbiides. Plant Prodution, 7), p , 1992). NAGEL, F.J.I; TRAMPER, J; BAKKER, M.S.N; RINZEMA, A. Model for on-line moisture-ontent ontrol during solid-state fermentation. Biotehnology and Biogineering, 72), p , 2001). NARAHARA, H.; KOYAMA, Y.; YOSHIDA T.; ATTHASAMPUNNA, P.; TAGUCHI, H. Control of Water Content in a Solid-State Culture of Aspergillus oryzae. J. Ferment. Tehnol., 62), p , 1984). NOPHARATANA, M. Mirosale studies of fungal growth in solid state fermentation. Tese dotor of philosophy in hemial engineering). Thailand, University of Queensland, 1999). OOIJKAAS, L.P.; TRAMPER, J.; BUITELAAR, R.M. Biomass estimation of Coniothyrium mini-tans in solid-state fermentation. Enzyme Mirob Tehnol, 22), p , 1998). PANDEY, A.; SOCCOL, C.R.; MITCHELL, D. New developments in solid-state fermentation: I Bioproesses and produts. Proess Biohemistry, 35 10), p , 2000). PEÑA Y LILLO, M.; PÉREZ-CORREA, R.; AGOSIN, E.; LATRILLE, E. Indiret measurement of water ontent in an asepti solid substrate ultivation pilot-sale biorreator. Bioteh. and Bioeng., 76 1), 2001). PEÑA Y LILLO, M.; PEREZ-CORREA, R.; LATRILLE, E.; FERNANDEZ, M.; ACUNA, G.; AGOSIN, E. Data proessing for solid-substrate ultivation bioreators. Bioproess Engineering, 22), p , 2000). RAIMBAULT, M. General and Mirobial aspets of solid substrate fermentation, 1 3), Universidade atólia de valparaíso Chile, 1998). 105

119 RAJAGOPALAN, S.; MODAK, J.M. Modeling of heat and mass transfer for solid state fermentation proess in tray bioreator. Bioproess Engineering 13 3), p , 1995). REID, R.C.; PRAUSNITZ, J.M.; SHERWOOD, T.K. The properties of gases and liquids. 3 rd edition. New York: MGraw-Hill 688, 1977). RIBEIRO, D. M.; CORRÊA, P. C.; RESENDE, O.; BOTELHO, F. M. Propriedades Térmias de Grãos de Trigo: Determinação e Modelagem. Cien. Agrote., 31 2), Lavras, 2007). ROUSSOS, S.; RAIMBAULT, M.; PREBOIS, J-P.; LONSANE, B.K. Zymotis, a large sale solid state fermenter. Appl Biohem Biotehnol, 42), p , 1993). RYOO, D. On-line estimation and ontrol in solid substrate fermentation. PhD thesis. Colorado State University, Fort Collins, CO, USA, 1990). SANGSURASAK, P.; MITCHELL, D.A. Inorporation of death kinetis into a 2-D dynami heat transfer model for solid state fermentation. Journal of Chemial Tehnology and Biotehnology 64), p , 1995). SANGSURASAK, P.; MITCHELL, D.A. Validation of a model desribing 2-dimensional heat transfer during solid-state fermentation in paked bed bioreators. Biotehnology and Bioengineering, 60 6), p , 1998). SARGANTANIS, J.; KARIM, M.N; MURPHY, V.G.; RYOO, D.; TENGERDY, R.P. Effet of operating onditions on solid substrate fermentation. Biotehnology and Bioengineering, 42), p , 1993). SATO, K.; NAGATANI, M.; NAKAMURA, K.; SATO, S. Growth estimation of Candida lipolytia from oxygen uptake in a solid state ulture with fored aeration. J Ferment Tehnol, 61), p , 1983). SATO, K.; YOSHIZAWA, K. Growth and growth estimation of Saharomyes erevisiae in solid-state ethanol fermentation. J Ferment Tehnol, 66), p , 1988). 106

120 SAUCEDO-CASTAÑEDA, G.; LONSANE, B.K.; NAVARRO, J.M.; ROUSSOS, S.; RAIMBAULT, M. Control of arbon dioxide in exhaust air as a method for equal biomass yields at different bed heights in a olumn fermentor. Appl Mirobiol Biotehnol, 375), p , 1992). SAUCEDO-CASTAÑEDA, G.; TREJO-HERNÁNDEZ, M.R.; LONSANE, B.K.; NAVARRO, J.M.; ROUSSOS, S.; DUFOUR, D.; RAIMBAULT, M. On-line automated monitoring and ontrol system for CO2 and O2 in aerobi and anaerobi solid-state fermentation. Proess Biohem, 29), p , 1994). SAUCEDO-CASTENEDA, G.; GUTIERREZ-ROJAS, M.; BACQUET, G.; RAIMBAULT, M.; VINIEGRA-GONZALEZ, G. Heat transfer simulation in solid substrate fermentation. Biotehnology and Bioengineering, 35), p , 1990). SCHUTYSER, M.A.I.; WEBER, F.J.; BRIELS, W.J.; RINZEMA, A.; BOOM, R.M. Heat and water transfer in a rotating drum ontaining solid substrate partiles. Biotehnology and Bioengineering, 82 5), p , 2003). SCHUTYSER, M.A.I.; PADDING, J.T.; WEBER, F.J.; BRIELS, W.J.; RINZEMA, A.; BOOM, R. Disrete Partile Simulations Prediting Mixing Behavior of Solid Substrate Partiles in a Rotating Drum Fermenter. Biotehnology and Bioengineering 75), p , 2001). SCHUTYSER, M.A.I.; WEBER, F.J.; BRIELS, W.J.; BOOM, R.; RINZEMA, A. Threedimensional simulation of grain mixing in three different rotating drum designs for solid-state fermentation. Biotehnology and Bioengineering, 79), p , 2002). SEEBORG, D. E.; EDGAR, T. S.; MELLICHAMP, D. A. Proess Dynamis and Control. Willey, New York, 2ª ed. 2004). 107

121 SIEV, R.; ARANT, J.B.; LIPTÁK, G.B. Flow measurement laminar flow-meters). Lipták BG ed) Instrument engineers handbook: proess measurement and analysis. Chilton Book Company, Radnor, Pennsylvania, p , 1995). SMITS, J.P.; RINZEMA, A.; TRAMPER, J.; SCHLOSSER, E.E.; KNOL, W. Aurate determination of proess variables in a solid-state fermentation system. Proess Biohem., 31), p , 1996). SMITS, J.P.; RINZEMA, A.; TRAMPER, J.; VAN SONSBEEK, H.M.; HAGE, J.C.; KAYNAK, A.; KNOL, W. The influene of temperature on kinetis in solid-state fermentation. Enzyme Mirobiology and Tehnology, 22), p , 1998). STUART, D.M.; MITCHELL D.A. Mathematial model of heat transfer during solid-state fermentation in well-mixed rotating drum bioreators. Journal of Chemial Tehnology and Biotehnology 78 11), p , 2003). SWEAT, V.E. Thermal properties of foods. Engineering properties of foods. Rao, M.A, Rizvi, S.S, editors. New York: Marel Dekker, p , 1986). VICCINI, G.; MITCHELL, D.A.; BOIT, S.D.; GERN, J.C.; ROSA, A.S da.; COSTA, R.M.; DALSENTER, F.D.H.; VON MEIEN O.F.; KRIEGER, N. Analysis of growth kineti profiles in solid-state fermentation. Food Tehnology and Biotehnology 39), p , 2001). VILLEGAS, E.; AUBAGUE, S.; ALCANTARA, L.; AURIA, R.; REVAH, S. Solid state fermentation: aid protease prodution in ontrolled CO2 and O2 environments. Bioteh Adv., 11), p , 1993). VON MEIEN, O.F.; MITCHELL, D.A. A two-phase model for water and heat transfer within an intermittently-mixed solid-state fermentation bioreator with fored aeration. Biotehnology and Bioengineering 794), p , 2002). 108

122 WEBER, F.J.; TRAMPER, J.; RINZEMA, A. A simplified material and energy balane approah for proess development and sale-up of Coniothyrium minitans onidia prodution by solid-state ultivation in a paked-bed reator. Biotehnology and Bioengineering, 65), p , 1999). WEBER, F.J; OOSTRA, J; TRAMPER, J; RINZEMA, A. Validation of a model for proess development and sale-up of paked-bed solid-state bioreators. Biotehnology and Bioengineering, 77), p , 2002). 109

123 ANEXO I 110

124 POP Equipamento Autolave AC-01 Informações Caraterístias Ténias Autolave PHOENIX Modelo AV 300 / 220V Tensão de Alimentação e Potênia Voltagem volts) Va~) 100 +/-10% Freqüênia Hertz Hz) 50/60 Potênia Watts W) 8000 Corrente I A) 37 Dimensões, Capaidade e Peso Dimensões Internas m) 60 x 110 Dimensões Externas m) 79 x 85 x 120 Capaidade litros) 300 Peso Líquido Kg) 230 Resistênia Resistênia elétria de imersão) Potênia Watts W) 4000 Tensão Volts) Va ~) 220V Categoria do Vaso MPTA = 1,6 Kgf/m 2 Máxima Pressão de Trabalho Admissível); Pressão de Operação = 1 a 1,5 Kgf/m 2 ; Pressão Hidrostátia = 3 Kgf/m 2 ; Categoria do Vaso de Pressão V Base Grupo de Potenial de Riso); Classe de Fluído C Vapor de Água). Conjuntos, Peças e Aessórios Resistênias: As resistênias são do tipo tubular de imersão om fáil aesso para manutenção e limpeza. Manômetro Código: O manômetro possuí duas esalas, sendo uma em pressão kgf/m 2 ) e outra orrespondente em temperatura C). Conjunto da Tampa: Confeionada em liga de bronze fundido, reebe internamente um tratamento de estanho, e externamente polida e envernizada. Sobre a tampa é aoplado todo o onjunto da válvula de proesso, juntamente om o manômetro. Sua abertura é realizada através de um pedal situado na parte inferior frontal, que levanta a tampa permitindo girá-la para abri-la. Manípulo Baquelite: Os manípulos foram desenvolvidos e são onstruídos em latão e revestidos em baquelite isolante de alor), proporionando segurança e melhor onforto ao operador. 111

125 Preauções, Restrições e Advertênias Verifique se a rede ao qual o equipamento será onetado possuí araterístia para suportar as ondições elétrias do equipamento. O abo de alimentação deve ser onetado a uma rede aterrada, fixada permanentemente na parede ou banada. Nuna faça uso de extensões. Nuna ligue a autolave sem água, para evitar a queima das resistênias, já que se trata de uma resistênia do tipo de imersão, orrendo o riso de ser danifiada. O equipamento trabalha om água em ebulição, assim, todo o onjunto da tampa adquire em funionamento, temperaturas da ordem de 100 C, que podem provoar queimaduras, sendo neessários em seu manuseio utensílios de proteção, tais omo luvas de trabalho. Este autolave trabalha por prinípio de esterilização a vapor, não possuindo ilos de seagem, assim ao final de ada ilo as provas se apresentarão úmidas. Instalação do Equipamento O equipamento deverá ser instalado em ambiente aberto, isto é, não deverá ser onfinado entre paredes. O equipamento deverá estar afastado, no mínimo, 50 entímetros das paredes e outros equipamentos, a rede elétria deverá estar perfeitamente dimensionada para suportar os requisitos elétrios da autolave. As autolaves que não possuem o plug para tomada industrial devem ser ligadas da seguinte maneira: Fio verde deverá ser ligado em um terra efiiente Os outros dois fios restantes deverão ser ligados a fase / fase 220V) ou fase / neutro 110V). IMPORTANTE: em algumas regiões, ada fase já possuí tensão em 220V. Nestes asos, a ligação do aparelho somente 220V) deverá ser feita ligando-se a lâmina fio) terra, um bourne fio) na fase e outra no neutro. 112

126 POP Equipamento Autolave AC-01 Materiais Luvas de proteção Guarda-pó Balde om água Proedimento - Abertura 1) Verifiar a posição da have no painel de ontrole DESLIGA 2) Verifiar a posição da have na autolave DESLIGA 3) Verifiar a pressão no manômetro A), somente abrir quando o manômetro indiar 0 kgf/m 2 ou 100 o C. ATENÇÃO: É obrigatório abrir a válvula C) de esape quando atingir a temperatura de 100 C, pois om o resfriamento da autolave om está válvula fehada pode aarretar danos no vaso de pressão devido a formação de váuo. 4) Abrir a válvula de esape C) ao lado do manômetro até a exaustão ompleta do vapor e despressurizarão do equipamento. 5) Abrir a autolave, abrindo as garras manípulas) B) por igual e em forma de ruz 6) Levantar a tampa da autolave pisando no pedal F) até que a mesma esteja toda aberta. Durante a abertura manter o pé no pedal para que a tampa fique levantada. 7) Retirar os estos de inox om auxilio de luvas de proteção. Tenha uidado nesta etapa devido os materiais estarem quentes. 8) Verifiar o nível da água. O nível deve estar próximo ao desanso do esto. A D B E C F 113

127 POP Equipamento Autolave AC-01 Proedimento Fehamento/Esterilização Materiais Luvas de proteção Guarda-pó Balde om água 1) Verifiar o nível da água. O nível deve estar próximo ao desanso do esto. 2) Coloar o material a ser esterilizado nos estos de inox e depois oloar dentro da autolave. 3) Fehar a autolave, sempre pisando no pedal F) para manter a tampa levantada. 4) Coloar a tampa na posição orreta e apertar as garras manipulas) B) em forma de ruz. 5) Abrir a válvula de esape de vapor C). 6) Verifiar a posição da have no painel de ontrole LIGADA 7) Coloar a posição da have na autolave LIGADA MÁX) 8) Esperar a total eliminação do ar interno saída onstante de vapor) através do bio E), e em seguida fehar a válvula C). 9) Aguardar até atingir a pressão e temperatura de esterilização 121 C), em seguida oloar a have na posição média MED) para manter a temperatura. Tempo padrão de esterilização á 121 C é de 20 minutos). 10) Após o tempo de esterilização oloar a have na posição desligada DESL.) 11) Seguir o proedimento para abertura da autolave. POP Abertura da autolave A D B E C F 114

128 POP Equipamento Autolave AC-01 Proedimento - Limpeza Materiais Luvas de proteção Balde Pano maio Guarda-pó Sabão Neutro 1) Verifiar a posição da have no painel de ontrole DESLIGA 2) Verifiar a posição da have na autolave DESLIGA 3) Verifiar a pressão no manômetro A), somente abrir quando o manômetro indiar 0 kgf/m 2 ou 100 o C. 4) Abrir a válvula de esape C) ao lado do manômetro até a exaustão ompleta do vapor. 5) Abrir a autolave, abrindo as garrasmanípulas) B) por igual e em forma de ruz 6) Levantar a tampa da autolave pisando no pedal F) até que a mesma esteja toda aberta. Durante a abertura manter o pé no pedal para que a tampa fique levantada. 7) Certifique-se que o equipamento enontra-se desligado há um erto tempo para garantir que as duas resistênias enontram-se frias. 8) Retirar os estos de inox om auxilio de luvas de proteção. Tenha uidado nesta etapa devido os materiais estarem quentes. 9) Drenar toda água existente em seu anterior abrindo a válvula G). Coletar a água om o auxílio de um balde. 10) Limpar a âmara interna e as resistênias om água morna e sabão neutro, tomando uidado para não danifiar as resistênias, utilizar um pano maio e que não solte fiapos. 11) Eliminar eventuais sujeiras no interior da âmara, de maneira alguma limpar o equipamento e partes do aço inoxidável om áidos e solventes que ontenham loro ou soluções de sal. 12) Cuidadosamente reoloque as partes internas da autolave. Reomenda-se realizar a limpeza onstantemente, para remover as impurezas que fiam inrustadas nas resistênias, o que faz o equipamento perder sua efiiênia normal. 13) Sempre utilize a autolave om água limpa, isto assegura uma apropriada operação. Atenção: Não utilize agente abrasivo ou alvejante para a limpeza da âmara e estos. Nuna utilize esova de aço, palha de aço e outros similares, estes materiais podem danifiar a superfíie metália da âmara e seus omponentes. Quadro de Manutenção Intervenção Prazo Exeutante Limpeza Guarnição da Tampa Diário Usuário Limpeza Câmara e Cestos Semanalmente Usuário Válvula Controladora Mensalmente Usuário/Exeutante Limpeza da Guarnição da Tampa limpe a guarnição da tampa e superfíies adjaentes om um pano úmido. Examine se há algum dano na guarnição de silione para assegurar uma boa vedação. Limpeza da Câmara e Cestos a âmara de esterilização e estos devem ser limpos semanalmente. Primeiramente drene totalmente a água da âmara, lave o seu interior e o esto om água morna e sabão neutro, ou outro produto espeífio para o fim, seguindo as 115

129 instruções de limpeza. Verifiação da Válvula Controladora a válvula ontroladora de pressão deve ser verifiada a ada mês por uma pessoa qualifiada para se ter erteza que a válvula esteja funionando perfeitamente. Com o orreto fehamento da válvula, a pressão interna da âmara deverá subir novamente até a faixa de ontrole estipulada de 1,0 Kgf/m 2. Repita este proedimento 3 vezes, se a válvula ontroladora não funionar orretamente, deverá ser substituída. A D B E C F G 116

130 POP Equipamento Biorreator BIO-02 Materiais Guarda-pó Luvas de proteção Óulos de proteção Proedimento Abertura 1) Desligar o biorreator no painel de ontrole Posição DESLIGA 2) Desligar soprador no painel de ontrole posição DESLIGA 3) Parar o biorreator na posição indiada na figura abaixo. 4) Fehar as válvulas de entrada E) e saída F) de ar. 5) Fehar o registro de água e de ar omprimido utilizados para o sistema de umidifiação borrifamento de água) SB-03) 6) Abrir a alavana C). Atenção ao abrir. E C B H A A A D A F G I 117

131 POP Materiais Equipamento Biorreator BIO-02 Guarda-pó Proedimento Agitação 1) Fehar o registro de água e de ar omprimido utilizados para o sistema de umidifiação borrifamento de água) SB-03) 2) Desonetar a mangueira do sistema de borrifamento B). 3) Desligar soprador no painel de ontrole posição DESLIGA 4) Fehar as válvulas de entrada E) e saída F) de ar. 5) Desonetar as mangueiras de ar ligadas às válvulas E) e F). 6) Coloar as mangueiras de ar nos suportes G) apropriadamente. 7) Desonetar todos os abos dos termopares A) e oloá-los em loal apropriado. 8) Fehar as travas das tampas C) e D). 9) Ligar o biorreator no painel de ontrole posição LIGA. 10) Justar a freqüênia de agitação no inversor de freqüênia do motor H). A freqüênia de rotação deve ser superior a 20 rpm. Caso o motor tenha difiuldade em agitar o orpo do biorreator, pode-se ajudar manualmente no mesmo sentido do motor. Atenção: Caso o biorreator não agite verifiar se há uma luz vermelha aesa no painel de ontrole. Caso isso oorra verifiar se as mangueiras de ar E) e F) estão posiionas orretamente no suporte G) ou hamar o ténio responsável. E C B H A A A D A F G I 118

132 POP Equipamento Biorreator BIO-02 Materiais Guarda-pó Luvas de proteção Óulos de proteção Proedimento Operação Estátia 1) Desligar o biorreator no painel de ontrole Posição DESLIGA 2) Conetar as mangueiras de ar em E) e F) e abrir as respetivas válvulas. 3) Conetar a mangueira de engate rápido em B) do sistema de umidifiação SB-03). 4) Conetar os abos dos termopares em A). 5) Ligar o omputador e exeutar programa Bio2phase Labview) 6) Ligar o soprador no painel de ontrole posição LIGA. E C B H A A A D A F G I 119

133 POP Equipamento Biorreator BIO-02 Materiais Guarda-pó Luvas de proteção Óulos de proteção Másara de proteção Proedimento Limpeza/Esterilização 1) Desligar o biorreator no painel de ontrole Posição DESLIGA 2) Desligar soprador no painel de ontrole posição DESLIGA 3) Parar o biorreator na posição indiada na figura abaixo. 4) Fehar as válvulas de entrada E) e saída F) de ar. 5) Fehar o válvula de água e de ar omprimido utilizados para o sistema de umidifiação borrifamento de água) SB-03). 6) Abrir a alavana C). Atenção ao abrir. 7) Caso haja material dentro do biorreator removê-lo manualmente. 8) Abrir a válvula I), para esoar pelo dreno no fundo do biorreator. 9) Abrir a alavana D). Atenção ao abrir. 10) Primeiramente limpar om uma solução om sabão neutro. Aguardar em torno de 10 min e enxaguar. 11) Limpar a grade que se enontra na parte inferior adequadamente, se for neessário remover a grade da base para uma limpeza apropriada. 12) Limpar o restante do equipamento om uma solução de álool 70%. 13) Fehar a alavana C) e D). Manter as válvulas E), F) e I) abertas. 14) Coloar a mangueira que está onetada na saída da autolave e oloar na entrada por baixo do biorreator, onexão F). Deve-se oloar aguá sufiiente na autolave para que durante o proesso de esterilização a água não aabe o que pode queimar a resistênia da mesma 15) Após 1 hora de esterilização desligar a autolave, desonetar a mangueira de vapor. Manter as válvulas abertas até o resfriamento do biorreator. E C B H A A A D A F G I 120

134 POP Caraterístias Ténias Equipamento Filtro de ar do ompressor SB-03 Informações Conexão RC 1/2 Temperatura de Trabalho 0 a + 52 C Pressão de Entrada 0 a 12 bar 0 a 175 psi) Pressão de Regulagem 0,14 a 8,5 bar 2 a 125 psi) Capaidade do Copo 0,12 L Filtro/Regulador) 0,08 L Lubrifiador) Elemento de Filtragem 40 mira Peso 0,3 kg Filtro/Regulador) 0,2 kg Lubrifiador) Materiais Corpo Copo Anel de Fixação do Copo Vedações Manopla de Regulagem Cuidados Termoplástio Poliamida Termoplástio Poliarbonato Termoplástio Poliamida Borraha Nitrília Termoplástio Poliaetal Não devem ser instalados em loais onde possam estar em ontato direto om raios solares, sujeitos a impatos e temperaturas fora dos limites espeifiados; Alguns produtos químios podem ausar danos aos opos de poliarbonato, os quais não devem entrar em ontato om hidroarbonetos aromátios e halogenados, áloois, ompostos orgânios lorados, produtos de aráter básio orgânios e inorgânios, aminas e etonas; Deve-se drenar onstantemente o ondensado, para que o mesmo não atinja a base do elemento filtrante; Ao notar qualquer alteração no opo de poliarbonato, tais omo trinas, substitua-o imediatamente. Elementos não Compatíveis ao Poliarbonato Aetona Anidrido Fenol Aétio Ozônio Anilina Gasolina Áido Aétio Benzeno Hidróxido de Amônia Áido Fórmio Cilo Hexanol Hidróxido de Sódio Áido Hidrolório Carbonato de Amônia Metiletiletona Áido Nítrio Clorobenzeno Óleo para Freio Hidráulio Áido Sulfúrio Cloroetileno Perloroetileno Áido Etílio Clorofórmio Terpentina Áido Isopropílio Cresol Tetraloreto de Carbono Áido Metílio Diamina Thinner Aldeído Éter Etílio Tolueno Amônia Freon Xileno 121

135 POP Materiais Instalação Equipamento Filtro de ar do ompressor SB-03 Guarda-pó Óulos de Proteção Proedimento Manutenção Desligar o forneimento de ar e despressurizar todas as linhas ligadas ao loal onde o produto será instalado. Desligar a energia elétria antes de iniiar a instalação, aso o iruito seja eletropneumátio. Instalar o produto em um loal de fáil aesso para failitar a manutenção, observando o sentido do fluxo onforme indiação no orpo. Usar o mínimo de tubulação para evitar perda e arga desneessária. A tubulação deve estar isenta de sujeira, aparas ou rebarbas. Usar veda rosa somente nas rosas maho e em pequena quantidade. Proteger o produto ontra exposição à temperatura extrema, sujeira e umidade, operando sempre dentro das espeifiações ténias. Isto proporionará maior vida útil ao produto. Após feita a instalação do produto, as fontes de ar e energia elétria deverão ser ligadas e o produto testado quanto ao seu funionamento. Caso o produto não funione devidamente, não oloá-lo em uso. Os avisos e etiquetas de identifiação não deverão ser obertos por tinta. O filtro/regulador e o Lubrifiador devem sempre ser instalados vertialmente, om o opo na posição inferior. Manutenção Desligar o forneimento de ar e despressurizar todas as linhas ligadas ao loal onde o produto será instalado. Desligar a energia elétria antes de iniiar a instalação, aso o iruito seja eletropneumátio. Retirar o produto do equipamento e/ou sistema pneumátio e remover a sujeira do mesmo antes de iniiar a manutenção. Manutenção do sistema de filtragem Nota: A referênia paras os sentidos horário e anti-horário é a vista de ima para baixo. Para a desmontagem do opo 02), remover o olar de fixação 01) girando-o no sentido horário. Desenaixar o opo 02) do orpo do filtro 03). Remover a base do elemento 04) girando-a no sentido horário. Remover o elemento filtrante 05). Remover a haste de fixação do elemento 08). Remover o defletor 06). Remover o anel O ring 07) fixado no orpo do filtro. Lavar os omponentes utilizando sabão neutro e seá-los. 122

136 Avaliar as ondições do elemento filtrante 05). Montar o anel O ring 07) no alojamento interno do orpo do filtro. Montar o defletor 06). Montar o tirante de fixação do elemento 08). Montar o elemento filtrante 05). Atenção: O elemento filtrante 05) possui um rebaixo em um dos seus lados. Este rebaixo deve ser montado para ima. Montar a base do elemento 04), girando-o no sentido anti-horário. Enaixar o opo 02) no orpo do filtro/regulador 03). Montar o olar de fixação 01), girando-o no sentido anti-horário. Manutenção do sistema de regulagem Nota: A referênia paras os sentidos horário e anti-horário é a vista de ima para baixo. Desmontagem do regulador O regulador é formado por dois onjuntos prinipais: o onjunto da tampa 09) e o onjunto do orpo do regulador 03). Para proeder a manutenção do regulador, é neessária a desmontagem dos dois onjuntos prinipais. Remover o olar de fixação 10) girando no sentido anti-horário até soltá-lo ompletamente do regulador. Este proedimento irá separar os dois onjuntos prinipais do regulador. Os dois onjuntos prinipais devem ser desmontados e montados separadamente seguindo as orientações abaixo. Desmontagem do onjunto da ampa 09) Girar a manopla 11) no sentido anti-horário até o final do urso para soltar o onjunto do diafragma 12), o onjunto do parafuso de regulagem 13), o anel de nylon 20) e a mola de regulagem 14). Todos os onjuntos que fazem parte do onjunto tampa devem estar soltos. Desmontagem do onjunto do orpo do regulador 03) Remover o onjunto do assento 15) e o onjunto da haste 16) alojados no orpo do regulador 03). Remover o O ring do orpo do regulador 17) e o O ring do onjunto do assento 18). Dia: Para remover o onjunto do assento 15) e o onjunto haste 16) do orpo do regulador, inserir um jato de ar omprimido a baixa pressão máx. 2 bar) na entrada do produto. Remover o onjunto da haste 16) do onjunto do assento 15). Remova a mola de retorno 19) do fundo do regulador. Verifiar as ondições dos omponentes, aso algum omponente apresentar avaria, substituí-lo. Montagem do onjunto do orpo do regulador 03) Lavar os omponentes om água e sabão neutro e seá-los. 123

137 Lubrifiar o O ring do orpo do regulador 17) e o O ring do onjunto do assento 18) om uma fina amada de graxa. Coloar a mola de retorno 19) do fundo do regulador. Montar o O ring 17) que fia entre o onjunto do assento 15) e o orpo do regulador 03). Montar o onjunto da haste 16) no onjunto do assento 15) e inserir no orpo do regulador 03) sobre a mola de retorno 19). Não pressionar o onjunto do assento 15) ontra a mola de retorno 19) no fundo do regulador, para não provoar o desloamento dos O rings, oasionando um possível vazamento no regulador após sua montagem. Montagem do onjunto da tampa 09) Montar o anel de Nylon 20) no onjunto do parafuso de regulagem 13). Enaixar o onjunto do parafuso de regulagem 13) na tampa 09) e montar a manopla 11). Virar o onjunto om a manopla 11) para baixo. Coloar a mola de regulagem 14). Girar a manopla 11) no sentido horário para que a mola de regulagem 14) seja reolhida para dentro do onjunto da tampa 09). Montar o onjunto diafragma 12) om o one do onjunto voltado para o lado da manopla 11). O onjunto diafragma 12) deverá estar bem enaixado no onjunto da tampa 09). Montagem do regulador Montar o onjunto da tampa 09) sobre o onjunto do orpo do regulador 03). Coloar o olar de fixação 10) a manopla 11). Girar no sentido horário para travar os dois onjuntos que formam o regulador. Reinstalar o regulador ao equipamento e/ou sistema pneumátio. Manutenção do sistema de lubrifiação Nota: A referênia paras os sentidos horário e anti-horário é a vista de ima para baixo. Desmontagem do onjunto do orpo 36) Remover o olar de fixação 29) girando no sentido horário. Remover o opo 30). Remover o O ring do opo 28). Remover o tubo pesador 31) do orpo 36) do lubrifiador. Remover os parafusos de fixação 27) do suporte do venturi 26). Remover o suporte do venturi 26). Remover a membrana 32). Remover a mola 33) e a esfera que fia aima desta mola tomando uidado pois ambas fiarão soltas após a retirada da membrana 32). Remover a vedação do suporte do venturi 35). Remover o O ring do venturi 34) do fundo do orpo 36) do lubrifiador. 124

138 Desmontagem do onjunto gotejador 22) e do plug despressurizador 24) Remover o onjunto gotejador 22) girando no sentido anti-horário. Remover a vedação do onjunto gotejador 23). Remover o plug despressurizador 24) girando no sentido anti-horário e retirar o O ring 25). Lavar os omponentes om água e sabão neutro e seá-los. Montagem do onjunto do orpo 36) Montar a esfera e a mola 33) no suporte do venturi 26). Montar a membrana 32). Cuidado: Os furos da membrana 32) e do suporte do venturi 26) devem estar alinhados. Montar o O ring do venturi 34) e a vedação do suporte do venturi 35) no orpo do lubrifiador 36). Montar o tubo pesador 31) no espigão dentro do orpo 36). Montar o anel O ring do opo 28) no orpo 36). Coloar o anel de fixação 29) girando no sentido anti-horário para travar o opo 30) no orpo 36). Montagem do onjunto gotejador 22) e do plug despressurizador 24) Montar a vedação do onjunto gotejador 23) no orpo do lubrifiador 36). observar o posiionamento da guia de vedação. Montar o onjunto gotejador 22) girando no sentido horário. Coloar o O ring 25) no plug despressurizador 24) e montar o onjunto no orpo do lubrifiador 36) girando sentido horário. Reinstalar o lubrifiador ao equipamento e/ou sistema pneumátio. 125

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