Quais as principais desvantagens em se trabalhar em um processo com células aeróbicas, que produzem elevadas quantidades de CO2 e que sejam imobilizadas em um reator de leito fixo? Qual seria o reator mais apropriado para se trabalhar nestas condições?

Passo 1

Beleza, o exercício tá pedindo duas coisas:
  1. Quais as principais desvantagens de usar um reator de leito fixo com células aeróbicas que soltam muito CO₂.
  2. Qual reator seria mais apropriado pra essa situação.
    Conteúdo envolvido: biotecnologia/engenharia bioquímica, mais especificamente imobilização de células e transferência de massa gás-líquido (k_La, acúmulo de CO₂, mistura no reator).

Passo 2

Primeiro, por que o fixed-bed dá ruim quando a célula solta muito CO₂?
  • Geração de bolhas de CO₂ no interior do leito cria “bolhas presas”: o gás forma bolsões nos espaços entre as partículas imobilizadas, atrapalhando o fluxo de líquido e dos nutrientes.
  • Isso causa canais preferenciais (channeling), onde só passa líquido em alguns caminhos, deixando muita célula sem contato com alimento.
  • O CO₂ se acumula localmente e pode inibir a atividade celular (aumenta a pressão parcial de CO₂ e muda o pH local).
  • Como as partículas ficam justas, a pressão de operação aumenta (ΔP alto) e fica difícil escalar sem ter entupimento.

Passo 3

Agora, um pouco de teoria de transferência de massa:
A taxa de remoção do CO₂ (ou de transferência de oxigênio, é a mesma ideia) segue:
r = kLa , (C^* - C)
onde
é o coeficiente volumétrico de transferência de massa,
é a concentração de gás na fase líquida em equilíbrio com a bolha,
é a concentração real no fluido.
Num leito fixo, o cai porque bolhas presas reduzem a área de contato gás-líquido e o líquido não circula bem.

Passo 4

Então, o que escolher pra ter alta remoção de CO₂ e boa mistura?
Reator de leito fluidizado (FBR) ou airlift reactor. Vou focar no FBR, que é o mais usado com células imobilizadas e gases em excesso. Por quê?
  1. As partículas ficam “flutuando” num fluxo ascendente de líquido/gás.
  2. As bolhas sobem pelo leito, garantindo renovação constante de gás e fluido em volta das partículas, elevando o .
  3. Não tem canaling tão grave, nem altos ΔP, porque o leito se expande.
  4. Mistura melhor e toda célula “respira” igualmente e elimina CO₂ eficazmente.

Resposta

As principais desvantagens do leito fixo com células aeróbicas que liberam muito CO₂ são:
  1. Acúmulo de bolhas e channeling, reduzindo troca de massa e nutrição.
  2. Aumento de pressão e risco de entupimento.
  3. Inibição celular pelo excesso de CO₂ local.
O reator mais apropriado nessas condições é um leito fluidizado (FBR), pois melhora muito a transferência de massa gás-líquido (mais ), evita bolsões de gás e mantém boa homogeneidade no sistema.

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