O crescimento limitado por amônio da alga azul-esverdeada Oscillatoria agardhii é estudado utilizando um quimiostato (reator contínuo) de 1 litro. A temperatura da cultura é controlada a
e aplica-se iluminação contínua com intensidade de
. Uma solução estéril de amônia contendo
de nitrogênio (N) é fornecida às células. A taxa específica máxima de crescimento do organismo é
, e a constante de meia-saturação para nitrogênio é
. O rendimento de biomassa em relação ao nitrogênio é de 18 mg de peso seco por mg de N . O reator é operado de modo a fornecer um tempo de residência hidráulico de 60 horas. Nenhum produto extracelular é formado.
(a) Qual é a conversão total de substrato? (
)
(b) Qual é a produtividade de biomassa?
Avalia-se a intensificação do processo de cultivo utilizando reciclo celular. Mantendo a mesma vazão de alimentação de meio fresco usada na operação sem reciclo, uma corrente de reciclo contendo três vezes a concentração de células da saída do reator é recirculada ao vaso em uma vazão volumétrica igual a um quarto da vazão de alimentação fresca. A concentração de substrato
em um quimiostato com reciclo celular é dada por:
onde:
D é a taxa de diluição com base na vazão de alimentação fresca,
e Ks são, respectivamente, a taxa específica máxima de crescimento e a constante de saturação do organismo,
é a razão volumétrica de reciclo,
é o fator de concentração celular na corrente de reciclo.
(c) Em quanto a utilização do reciclo celular reduz o volume de reator necessário para atingir o mesmo nível de conversão de substrato obtido sem reciclo? (
)
(a) Qual é a conversão total de substrato? (
(b) Qual é a produtividade de biomassa?
D é a taxa de diluição com base na vazão de alimentação fresca,
(c) Em quanto a utilização do reciclo celular reduz o volume de reator necessário para atingir o mesmo nível de conversão de substrato obtido sem reciclo? (
Passo 1
O enunciado descreve o cultivo em quimiostato de uma alga cujo crescimento é limitado por amônio. Os dados principais são:
– Concentração de substrato na alimentação mg N L
.
– Rendimento de biomassa em relação ao N: mg biomassa / mg N.
– dia
,
µg L
.
– Tempo de residência hidráulico h
taxa de diluição
dia
.
Vamos calcular:
(a) conversão de substrato ,
(b) produtividade de biomassa ,
(c) redução de volume com reciclo celular para manter o mesmo .
– Concentração de substrato na alimentação
– Rendimento de biomassa em relação ao N:
–
– Tempo de residência hidráulico
Vamos calcular:
(a) conversão de substrato
(b) produtividade de biomassa
(c) redução de volume com reciclo celular para manter o mesmo
Passo 2
No regime estacionário de um quimiostato sem reciclo, aplica-se o modelo de Monod para o substrato residual
:
Convertendo
e
para as mesmas unidades:
µg L
,
mg L
µg L
.
Logo
Logo
A conversão de substrato é
Passo 3
A concentração de biomassa no estado estacionário é
A produtividade volumétrica é
Convertendo para
(dividindo por 24 h):
Passo 4
Com reciclo celular, o substrato estacionário passa a ser
onde
(vazão de reciclo sobre vazão fresca) e
(concentração na reciclo é
a do reator).
Calcula-se
Calcula-se
Para atingir o mesmo
µg L
(mesma conversão de 98 %), impõe-se
onde
é a nova taxa de diluição com reciclo (baseada na vazão fresca).
Como o volume do reator (vazão fixa), a redução de volume é
Como o volume do reator
Resposta
(a)
(b)
(c) Redução de cerca de no volume do reator.
(b)
(c) Redução de cerca de