Aeração e transferência de oxigênio

Nos processos fermentativos conduzidos em estado sólido, a interação dos fenômenos de transporte com as reações bioquímicas apresentam um efeito considerável nos resultados obtidos (GHILDYAL et al., 1994). Segundo HAN (1987) a aeração, na FES, é mais fácil que no processo submerso, desde que o projeto do reator seja apropriado para permitir livre acesso do O2 atmosférico até o substrato. O autor especifica ainda que,

como a solubilidade do oxigênio em água é muito baixa (0,0283%, a 25 o_{C), o suprimento}

de O2 é o fator limitante no crescimento celular da FSm. Na FES, por sua vez, forma-se

um filme de água sobre o substrato insolúvel, o que torna a difusão do O2, para água,

mais rápida do que no processo submerso. Consequentemente, o nível de O2 necessário

para a FES é esperado ser menor do que na FSm. No entanto, de acordo com LONSANE et al. (1991), o problema com a difusão de O2, na FES, resume-se à transferência do gás

entre as partículas

O microrganismo pode conseguir O2 diretamente da atmosfera gasosa, o que,

segundo RAMANA MURTHY et al. (1993), seria uma situação ideal para o crescimento. No entanto, qualquer que seja a forma de transporte de O2, observa-se que a velocidade

de transferência na FES é maior que na FSm (LONSANE et al., 1991).

A aeração, além da função principal de fornecimento de oxigênio, remove calor, CO2 e outros compostos voláteis. Segundo DURAND et al. (1988), na FES, a aeração é

necessária devido, basicamente, a três fatores: 1) para manter as condições aeróbias, pois a pressão parcial do O2 e do CO2 no gás são fatores críticos para o crescimento

celular e formação do produto ; 2) para regular a temperatura do substrato, pois, em baixas condições de umidade, há dificuldades para transferência de calor e controle de temperatura ; 3) para regular o conteúdo de água do substrato durante o processo, que influencia o crescimento celular e o metabolismo do cultivo sólido.

Alguns trabalhos mostram a importância do controle da aeração nas FES’s, ressaltando a influência do nível de aeração em variáveis que interferem no crescimento celular e na concetração dos metabólitos formados.

SARGANTANIS et al. (1993) verificaram os efeitos de variáveis ambientais na FES, visando a produção de proteínas. As variáveis estudadas foram: nível de aeração, umidade e temperatura do ar injetado e o coeficiente de transferência de calor entre a parede do reator e o ar, na incubadora. Os autores observaram que o nível de aeração e o coeficiente de transferência de calor têm efeitos significativos sobre o processo, afetando a morfologia do microrganismo, não sendo, no entanto, facilmente controlados. Os resultados obtidos ainda mostraram que o nível de aeração provocou variação no perfil do conteúdo de água, afetando a produção de biomassa e o consumo do substrato. Como uma das maiores dificuldades da FES é a remoção do calor gerado, devido a baixa condutividade térmica da matéria fermentada, o método do resfriamento evaporativo, injetando-se ar parcialmente saturado a baixa temperatura, segundo os autores, é um dos mais promissores.

GHILDYAL et al. (1994) verificaram o efeito da vazão da aeração no perfil de temperatura e na atividade de amiloglicosidase, em um processo fermentativo em estado sólido, conduzido em reator de coluna, pelo fungo Aspergillus niger. Neste trabalho, os autores determinaram a atividade enzimática e a temperatura, em diferentes pontos do leito, sob diferentes velocidades de aeração (5, 10, 15, 20 e 25 L/min). Observou-se que o gradiente de temperatura, causado pela resistência à transferência de calor, foi reduzido com o aumento da aeração, da mesma forma que houve aumento da atividade enzimática, nos processos conduzidos com maior nível de aeração. No entanto, os autores ressaltam que, aumentando-se a velocidade de aeração, para controlar a temperatura do reator e, consequentemente, aumentar a atividade enzimática, tem-se uma outra limitação, a evaporação da água, que prejudica o processo.

DOMÍNGUEZ et al. (2001) verificaram a influência da aeração na produção das enzimas ligninolíticas mangamês peroxidase e lignina peroxidase, no cultivo em estado sólido, conduzido em reator de tambor rotatório, a partir de suportes inertes, pelo fungo Phanerochaete chrysisporium. Os autores observaram que, alterando o nível de aeração de 0,5 para 1,0 vvm, a produção das enzimas aumentou cerca de três vezes, levando à conclusão que este é um parâmetro fundamental para este tipo de processo.

SHOJAOSADATI & BABAEIPOUR (2002) constataram, no entanto, que, para a produção de ácido cítrico por Aspergillus niger em reator de coluna, utilizando bagaço de

maçã como substrato, uma menor aeração foi mais favorável ao processo. No referido trabalho, foram testados três níveis de aeração, 0,8, 1,4 e 2,0 L/min, e a maior produção de ácido cítrico ocorreu no processo conduzido com nível de aeração de 0,8 L/min, possivelmente, segundo os autores, devido à formação de canais preferenciais no leito do reator.

KALOGERIS et al. (2003) utilizaram um reator de tambor rotativo, com agitação intermitente, para verificar a influência, dentre outros fatores, da temperatura e da umidade e do nível de aeração no biorreator, sobre a produção de hemicelulases e o crescimento celular de Thermoascus aurantiacus. Constatou-se que, tanto a formação de biomassa quanto a produção das enzimas, foram favorecidas nas condições de operação em que se utilizou altos níveis de aeração.

As operações normais, mais comuns em reatores de coluna, usadas para FES envolvem condições de aeração estáticas, a partir do fundo da coluna. Isto leva a um aumento da temperatura axial, que pode chegar a 20 o_{C a mais do que a temperatura do}

ar de entrada (RAMANA MURTHY et al., 1993).

Alguns trabalhos, que descrevem formas alternativas de aeração dos biorreatroes aplicados a FES, visando a diminuição dos gradientes de temperatura e os problemas causados pela ruptura do micélio, encontram-se descritos na literatura. ASHLEY et al. (1999) utilizaram um modelo matemático para a transferência de calor axial com o objetivo de explorar duas estratégias de prevenção do aumento indesejável da temperatura, que compreenderam o fluxo reverso do ar, periodicamente, e a mistura do leito, de tempos em tempo, ao longo de toda a fermentação. Neste trabalho, foram feitas simulações para o crescimento de Aspergillus niger em substrato amiláceo, assumindo- se, na utilização do modelo, que o leito da coluna era largo o bastante para que a transferência de calor radial fosse desprezada. Os resultados mostraram que as estratégias utilizadas, vazão do ar de 0,0236 m/s e rotação de 10 – 60 vezes por hora, levaram a uma menor temperatura no interior da coluna, quando se comparou o processo com uma operação normal. Segundo os autores esse resultado deve-se a uma melhor distribuição do resfriamento da coluna, devido a ação conjunta do fluxo reverso de ar e da mistura periódica.

TSAO et al. (2000) estudaram um nova estratégia de operação de um reator de coluna para obtenção de celulases por espécie de Trichoderma. Os autores utilizaram uma técnica descrita como “pressure pulsation” na qual provoca-se uma entrada forçada de ar, de forma que a pressão do sistema aumente e, consequentemente, o ar entre no

sistema poroso. Em seguida, uma válvula, na saída do reator, é aberta, provocando uma queda de pressão abrupta. Desta forma, o ar é expelido provocando um pulso (agitação) do meio poroso. De acordo com os autores, este procedimento, aliado a extração repetida da enzima, levou a um aumento de cerca de quatro vezes na produção.

FUJIAN et al. (2002), por sua vez, verificaram a influência de mudanças na dinâmica da aeração na produção de celulases por Penicillium decumbens, em biorreator utilizando uma metodologia baseada na pulsação periódica de ar pressurizado no ambiente da fermentação. Este estudo demonstrou que, mudanças periódicas na dinâmica da aeração permitiram a não agregação do substrato, acelerando, consequentemente, o crescimento celular e aumentanto o nível da atividade enzimática, que foi obtida em um menor período de fermentação. Os autores atribuíram estes resultados, em parte, a redução das forças de cisalhamento, o que manteve o micélio intacto. Esta mesma metodologia foi utilizada por HONGZHANG et al. (2002) no cultivo em estado sólido de Bacillus thuringiensis em um bioreator industrial, com capacidade de 70 m3_{. Constatou-se que as mudanças na dinâmica de aeração do processo aumentaram}

a transferência de massa e calor, bem como a porosidade do substrato, levando a obtenção de unidade de virulência de Bacillus thuringiensis superiores a 18.000 U/mg.