Explique quais os impactos gerados por um K_{L} a muito pequeno ou elevado.

Passo 1

O enunciado pede para entendermos os efeitos que um coeficiente volumétrico de transferência de massa de oxigênio, o K_L a, muito baixo ou muito alto provoca em um processo aeróbio (por exemplo, cultivo celular ou fermentação). Vamos precisar dos conceitos de taxa de transferência de oxigênio, demanda celular e dos trade-offs entre transferência eficiente e danos ao sistema.

Passo 2

Quando o K_L a é muito pequeno, a velocidade com que o oxigênio é dissolvido no meio fica abaixo da demanda das células ou microrganismos. Isso causa:
– queda em pO_2 dissolvido, forçando metabolismo anaeróbio ou limitando o metabolismo aeróbio;
– redução da taxa específica de crescimento \mu e da produtividade de biomassa ou produto desejado;
– acumulação de subprodutos indesejados (por exemplo, etanol ou lactato) se ocorrer metabolismo anaeróbio;
– necessidade de aumentar a agitação ou a aeração para manter a viabilidade celular, o que pode não ser suficiente se K_L a continuar baixo.

Passo 3

Quando o K_L a é muito alto, a transferência de oxigênio supera largamente a demanda, mas isso traz desvantagens:
– necessidade de maior potência na agitação e fluxo de gás, elevando o consumo energético e custos operacionais;
– aumento do cisalhamento (shear stress) no reator, podendo danificar células sensíveis ou alterar a morfologia de microrganismos;
– formação excessiva de espuma e instabilidade no controle do gás de cabeça do reator;
– bolhas muito pequenas ou emulsões que podem dificultar a separação líquido-gás e aumentar o risco de injeção de microbolhas nas saídas do sistema.

Passo 4

O ideal é ajustar o K_L a num valor intermediário que atenda à taxa de oxigenação exigida pelo cultivo sem gerar danos mecânicos às células nem custos energéticos desnecessários. Esse ajuste pode ser feito variando agitação, bolhagem, geometria do reator ou acrescentando dispersantes.

Resposta

Um K_L a muito pequeno leva à limitação de oxigênio, queda de crescimento aeróbio e formação de subprodutos anaeróbios.
Um K_L a muito elevado aumenta o consumo de energia, eleva o cisalhamento, causa formação de espuma excessiva e pode danificar células.

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