Demanda e transferência de oxigênio em bioprocessos

A solubilidade do oxigênio é baixa quando comparada à de outros nutrientes presentes nos meios de cultivo. Devido à presença de microrganismos aeróbios existe uma demanda crescente de oxigênio em bioprocessos em batelada e em batelada alimentada, devido ao crescimento e à respiração celular. Alguns dos principais fatores que influenciam a demanda de oxigênio (DO) são do tipo de microrganismo ou célula, a fase do crescimento, a velocidade de crescimento celular, assim como a concentração celular.

A DO em cultivos aeróbios é dada pelo produto entre a velocidade específica de respiração ( ) e a concentração de células respirando (Cx). O primeiro termo é qualitativo e

depende do tipo do microrganismo e de seu estado metabólico, da composição do meio e das condições do cultivo (pH, temperatura, etc.). O segundo termo é quantitativo, ou seja, quanto maior a população, maior o consumo de oxigênio. A DO é expressa como:

DO (2.1)

onde DO é a demanda de oxigênio (gO2.L-1.h-1), é a velocidade específica de

respiração microbiana (gO2.gX-1.h-1), é a concentração celular (gX.L-1).

O balanço de massa para o oxigênio tomando como volume de controle o caldo de cultivo é dado pela Equação (2.2):

(2.2)

onde é a velocidade de transferência de oxigênio dada em gO2.L-1.h-1, definida

como:

k a (2.3)

Onde CS é a concentração de oxigênio dissolvido na fase líquida em equilíbrio com a

pressão parcial de oxigênio da fase gasosa (gO2.L-1), C é a concentração do oxigênio na fase

18 Substituindo (2.3) em (2.2), tem-se que:

(2.4)

No caso de sistemas sem microrganismos é possível determinar o valor de k a sendo admitido que o valor de 0, ou seja, sem microrganismos não se tem consumo de O2.

Pode-se, então, reescrever a Equação (2.4) da forma que segue:

k a (2.5)

Deve-se mencionar que o k a é definido como o produto de dois termos: o coeficiente convectivo de transferência de massa (kL) e a área interfacial de troca de massa (a), dada pela

relação entre a área total de troca de massa ou área total das bolhas (Abolhas) e o volume útil do

biorreator (V), a = Abolhas/V. Ambos dependem de uma série de variáveis que podem ser

agrupadas nas seguintes categorias:

i. Propriedades físicas do líquido como a densidade, viscosidade dinâmica (parâmetros reológicos) e tensão superficial.

ii. Difusividade da molécula de O2 no líquido.

iii. Intensidade de agitação e vazão de alimentação de ar.

Em geral, as variáveis do grupo i) não afetam tanto o k a, quanto as variáveis dos grupos ii) e iii) (GARCIA OCHOA 2009). A Figura 2.8 ilustra a inter-relação entre parâmetros de transferência de oxigênio e hidrodinâmicos em cultivos (OCHOA e GOMEZ, 2009).

Desse modo, a fim de avaliar a transferência de oxigênio em biorreatores recorre-se a determinação do k a, sob as diferentes condições de operação e geometrias do sistema. Um aspecto crítico a ser considerado é o desenho do reator para alcançar altos valores de kLa, o

qual pode ser afetado por muitos fatores incluindo as caraterísticas geométricas e operacionais do processo como a frequência de agitação, vazão de aeração, hidrodinâmica das fases líquida e gasosa, composição do meio de cultivo, tipo de célula e morfologia celular.

19 Manter uma adequada concentração de O2 no caldo de cultivo é de vital importância

em bioprocessos aeróbios, assim a homogeneização e aeração do caldo de cultivo são alcançadas modificando os parâmetros de operação, tais como a frequência de rotação do agitador (N), vazão específica da alimentação de ar (ar) ou enriquecimento do ar com O2 puro

(ROLLINS et al., 1988; GAVRILESCU, ROMAN e EFIMOV, 1993). Por exemplo, Zhu et al. (2001) foram capazes de aumentar a velocidade de transferência de O2 da fase gasosa para

a líquida em até 17% com a troca do impelidor da configuração axial para radial. Puthli et al. (2005) verificaram que valores do kLa são afetados pela configuração do impelidor, além da

frequência de rotação, vazão de aeração, viscosidade do fluido num meio de fermentação simulado. Estes autores utilizaram em biorreator de 2 L com impelidores TR e pitched blade e como fluidos, água, soluções com diferentes concentrações de carboximetilcelulose e um meio de fermentação simulado. Os autores observaram que a utilização de três impelidores assegurou uma distribuição do gás mais uniforme aumentando os valores de kLa.

Figura 2.8. Relações entre parâmetros de transferência de oxigênio e hidrodinâmicos em cultivos em diversos níveis (OCHOA e GOMEZ, 2009).

20 A agitação e a aeração em caldos fermentativos influenciam sob o produto k a de duas formas. Primeiramente, o kL pode ser escrito como:

k (2.6)

Onde é a difusividade do oxigênio (m2.s-1) através da película estagnada da fase líquida e  é a espessura da película estagnada da fase líquida.

Logo, a agitação e aeração atuam diminuindo a  e, de acordo com a Equação (2.6), aumentando o valor de kL. A segunda forma é a fragmentação das bolhas de gás, resultando

em um número maior de bolhas de menor diâmetro, ou seja, um considerável incremento na área interfacial de transferência de oxigênio (a) e, por consequência, no produto k a.

Em processos fermentativos que envolvem alta demanda de oxigênio, o k a se apresenta como um parâmetro de extrema importância no projeto, monitoração e aumento da escala dos fermentadores. Logo, faz-se necessário a utilização de métodos consistentes na determinação deste parâmetro (BADINO e SCHMIDELL, 2001). Por exemplo, o valor de k a pode ser incrementado quando se aumenta a concentração de íons na solução. Segundo Van Riet (1979), o k a em soluções iônicas é mais dependente da vazão de ar e da potência imposta por unidade de volume (P.V-1) que em água pura. Os valores de k a decrescem com o aumento da viscosidade do líquido, e incrementam com a temperatura e apresentam grandes decréscimos com a adição de sustâncias surfactantes ou antiespumantes (GOGATE, BEENACKERS e PANDIT, 2000; GARCIA-OCHOA e GOMEZ, 2004). O surfactante pode formar uma camada na interface da bolha oferecendo resistência à passagem das moléculas do gás para o líquido (LINEK et al., 2005).

Em processos aeróbios convencionais, nos quais se podem incluir a produção de diversos antibióticos, vitaminas e enzimas, o suprimento de O2 é realizado por agitação e

aeração contínua do caldo, onde os biorreatores estão providos de aspersor e impelidores. Onde a oxigenação é decisiva em cultivos envolvendo organismos aeróbios, já que o oxigênio se apresenta como um substrato essencial para o crescimento, manutenção e outras rotas metabólicas. Como a reoxidação de coenzimas que participam das reações de desidrogenação ao longo da glicólise, no ciclo de Krebs e no processo de produção de energia química, transformando as moléculas de ADP em moléculas de ATP, fundamental para o crescimento celular, síntese de produtos, transporte e outras atividades celulares (SCHIMIDELL, 2001).

21 Devido à sua baixa solubilidade do oxigênio nesses caldos (normalmente soluções aquosas), o O2 torna-se um nutriente limitante em cultivos com alta densidade celular quando

comparado a outros nutrientes presentes em meios fermentativos. Esta limitação está associada em alguns casos à grande demanda de oxigênio (DO) provocada por altas velocidades globais de respiração celular. No caso de limitação por O2, o crescimento celular

e a formação do produto serão afetados severamente. Por exemplo, concentrações de O2

dissolvido em torno de 10 mg.L-1, comuns nos meios de cultivo, chegam a ser de 1000 a 10000 vezes menores que as concentrações de outros componentes do meio como a glicose (BAILEY e OLLIS, 1986).

A DO é um parâmetro comumente empregado para quantificar o estado fisiológico de uma cultura aeróbica, devido ao fato que a maioria das atividades metabólicas depende do consumo de O2. Nesse sentido, a concentração de O2 dissolvido em caldos de cultivo depende

da velocidade de transferência de O2 do gás para a fase líquida (NO2) e da sua demanda pelas

células durante o desenvolvimento de bioprocesso, tal como expressa a Equação (2.1). NO2 é

influenciada por vários parâmetros como propriedades físicas do gás e do líquido, condições operacionais, parâmetros geométricos do biorreator e a concentração ideal de O2 dissolvido

(PAVLOV, 2005). Portanto, nesses processos é indispensável o conhecimento da velocidade de transferência de oxigênio (N ) para projeto e aumento de escala de biorreatores.

Rollins et al. (1988) relatam que alta transferência de oxigênio durante a fase de crescimento exponencial em cultivos de Streptomyces clavuligerus, pode melhorar a produção da cefamicina C, um antibiótico -lactâmico de grande importância comercial. A velocidade de formação de produto está relacionada com a quantidade de cada enzima presente na rota biossintética. Posteriormente Rollins et al. (1990.), observaram maiores expressões das enzimas isopenicilina N sintase (IPNS) e a deacetoxicefalosporina sintase (DAOCS) atuantes na rota metabólica desse composto β-lactâmico, em condição de saturação de oxigênio.

Rollins, Jensen e Westlake (1991) observaram que em cultivos de S. clavuligerus, a atividade da aminoadipil-cisteinil-valina sintetase (ACVS) surge durante a fase inicial de rápido crescimento celular. No mesmo período, o conteúdo do oxigênio dissolvido (OD) do meio foi totalmente consumido. Em níveis elevados de OD, os níveis intracelulares do tripeptídeo aminoadipil- cisteinil-valina (ACV) diminuem devido à perda de atividade de ACVS durante a fase de não crescimento, devido principalmente à melhoria da conversão do tripeptídeo ACV ao intermediário penicilina N, isto é, à condensação do anel de cinco

22 membros e posteriormente à expansão desse anel para um anel de seis membros favorecendo a produção de cefamicina C.

2.4. Métodos para a determinação do coeficiente volumétrico de