Você deve sugerir um tipo de reator para um processo fermentativo operando em modo batelada. Além do tipo de reator, sugira também a melhor forma de agitação, aeração e disposição das chicanas. Justifique a sua resposta. As principais características deste processo são:
a. Processo inicia-se em baixa viscosidade;
b. Porém, como o produto de interesse é um polissacarídeo extracelular e à medida que ocorre o crescimento microbiano ocorre elevação da viscosidade do caldo de fermentação, atingindo valores considerados de viscosidade média.
a. Processo inicia-se em baixa viscosidade;
b. Porém, como o produto de interesse é um polissacarídeo extracelular e à medida que ocorre o crescimento microbiano ocorre elevação da viscosidade do caldo de fermentação, atingindo valores considerados de viscosidade média.
Passo 1
Então, beleza, o enunciado é o seguinte: a gente precisa sugerir um tipo de reator pra uma fermentação em batelada que começa com baixa viscosidade e vai ficando com viscosidade média porque o produto é um polissacarídeo extracelular. Além disso, temos que falar qual agitação usar, como fazer a aeração e como posicionar as chicanas (baffles), e justificar tudo isso.
Matéria: Engenharia de Bioprocessos, mais focado em transferência de massa e mistura em fermentadores.
O que vamos precisar:
Matéria: Engenharia de Bioprocessos, mais focado em transferência de massa e mistura em fermentadores.
O que vamos precisar:
- Conceito de reator ideal pra fermentação heterogênea de alto peso molecular;
- Como a viscosidade afeta o regime de mistura (número de Reynolds, tipos de impelidores);
- Noções de transferência de oxigênio e dispersão de bolhas;
- Função das chicanas na quebra de vórtices e melhoria da transferência de massa.
Passo 2
Primeiro, escolher o tipo de reator.
Por teoria, fermentações que formam polímeros extracelulares tendem a ficar “gosmentas” – ou seja, viscosidade sobe e dificulta a mistura e a transferência de oxigênio. Reatores sem agitação mecânica (como coluna de bolhas puro) perdem performance quando a viscosidade aumenta. Então o mais indicado é o bom e velho Reator de Tanque Agitado (RTA ou CSTR) em batelada, porque:
Por teoria, fermentações que formam polímeros extracelulares tendem a ficar “gosmentas” – ou seja, viscosidade sobe e dificulta a mistura e a transferência de oxigênio. Reatores sem agitação mecânica (como coluna de bolhas puro) perdem performance quando a viscosidade aumenta. Então o mais indicado é o bom e velho Reator de Tanque Agitado (RTA ou CSTR) em batelada, porque:
- Tem agitação mecânica controlada;
- Permite trocar parâmetros (velocidade, gás, temperatura) ao longo do processo;
- É o mais usado industrialmente para polissacarídeos.
Passo 3
Agitação e tipo de impelidor.
Quando a viscosidade está baixa, o fluido tem regime turbulento (Re alto). À medida que a viscosidade sobe, o número de Reynolds
Quando a viscosidade está baixa, o fluido tem regime turbulento (Re alto). À medida que a viscosidade
diminui e a mistura cai para regime laminar ou de transição. Em regimes de viscosidade média, impelidores radiais (tipo Rushton) deixam de ser eficientes pra empurrar o fluido “grosso”. A solução é usar um impelidor de fluxo axial de alta área de contato, por exemplo:
- Hélice de pás inclinadas (marine propeller) ou
- Hélice em fita (helical ribbon) ou ainda
- Anchor impeller (âncora)
Esses impelidores “abraçam” o fluido, garantindo circulação mesmo com Re baixo.
Passo 4
Aeração e transferência de oxigênio.
Polissacarídeos extracelulares aumentam a tensão superficial e diminuem a holdup de gás. Então:
Polissacarídeos extracelulares aumentam a tensão superficial e diminuem a holdup de gás. Então:
- Use sparger de bolhas finas (poroso ou de orifícios pequenos) pra gerar microbolhas e aumentar a área de interface;
- Mantenha fluxo de ar ajustável para não estressar células;
- Se possível, pré-aqueça (ou pré-umedeça) o ar pra não resfriar o caldo.
Assim, mesmo com a viscosidade subindo, ainda conseguimos manter boa transferência de oxigênio.
Passo 5
Posicionamento das chicanas (baffles).
As chicanas servem pra quebrar o vórtice e melhorar a circulação. A recomendação clássica é:
As chicanas servem pra quebrar o vórtice e melhorar a circulação. A recomendação clássica é:
- 4 chicanas verticais, espaçadas uniformemente a cada 90°;
- Largura de cada chicana ≈
a do diâmetro do tanque.
Elas vão evitar que o fluido fique girando em volta da hélice sem se misturar direito.
Passo 6
Resumo da configuração dinâmica.
Durante a batelada:
a) Início: baixa viscosidade → pode usar 1 hélice radial (Rushton) em velocidade relativamente alta pra homogeneizar nutrientes.
b) Meio/final: viscosidade média → reduz um pouco a rotação pra não danificar células, troca pro helical ribbon ou impelidor axial, mantém sparger fino e chicanas fixas.
Durante a batelada:
a) Início: baixa viscosidade → pode usar 1 hélice radial (Rushton) em velocidade relativamente alta pra homogeneizar nutrientes.
b) Meio/final: viscosidade média → reduz um pouco a rotação pra não danificar células, troca pro helical ribbon ou impelidor axial, mantém sparger fino e chicanas fixas.
Resposta
Reator de Tanque Agitado (CSTR) em batelada, com arranjo de impelidor dual (inicialmente Rushton, depois helical ribbon ou anchor para viscosidade média), 4 chicanas verticais (cada 1/10–1/12 do diâmetro, espaçadas a 90°) e sparger de microbolhas. Dessa forma garantimos mistura eficiente e boa transferência de oxigênio mesmo com o aumento de viscosidade do caldo.