Dimensionamento do Biorreator

Para o dimensionamento físico do reator, buscou-se dimensões usuais de biorreatores na literatura, tendo Stanbury (2017) e Aquarone (2008a) disponibilizado informações semelhantes, apresentadas no Quadro 3:

Quadro 3: Dimensões usuais para bioreatores. Dimensões Usuais

Dimensões Steel e Maxon (1961) Blakeborough (1967) Paca et al. (1976) Aiba et al. (1973) Altura do Líquido (L) 55 150 - L/D (diâmetro) 0,73 1,0 - 1,5 1,7 - Diâmetro turbina (P/D) 0,4 0,33 0,33 0,4 Largura Chicana / D 0,1 0,08 - 0,010 0,098 0,095 Altura Agitador /D - 0,33 0,37 0,24 P/V - - 0,74 - P/W - - 0,77 0,85 P/Y - - 0,77 0,85 P/Z - - 0,91 2,1 H/D - - 2,95 2,2 Volume de Operação 250 dm³ - 170 dm³ 100000 dm³

Fonte: Stanbury et al. (2017).

Foi optado neste projeto pelas dimensões de Blakeborough (1967), pois segundo Stanbury (2017) estas dimensões aplicam-se a reatores com impelidor único, mais apropriado ao volume reacional previamente estimado, além disso não possuem volume de operação definido especificado na literatura. A relação L/D de 1,5 foi selecionada, pois um tanque mais alto permite maior eficiência para as trocas gasosas dentro do reator, devido ao maior tempo de contato com o ar disperso. Consequentemente, a relação para largura de chicana foi a maior, de 0,010.

Esse reator deve possuir uma seção cônica inferior com abertura e encaixe para anexar-se uma válvula gaveta de no mínimo 2” na extremidade inferior, com a finalidade de reter todo o líquido do reator e concentrar a “lama” em uma saída para retirada em momento único após a trasfega do conteúdo principal. Também deve possuir uma saída lateral a ¾ da altura do cone para testes e realização do final da trasfega, quando a saída lateral principal não

corresponder mais ao a uma altura de líquido suficiente (carreando menos sedimentos para o maturador).

Para o dimensionamento da parte cônica, estipulou-se que cerca de 10% do volume útil deve estar contido em ¾ de sua altura, pois este volume corresponde ao volume usual de lama produzida (sólidos sedimentados) no processo, totalizando 110L. Stanbury et al. (2017) define que para reatores de fundo cônico, a angulação deve ser de aproximadamente 70º. Também deve-se considerar que a altura de líquido dentro do reator deve ocupar 80% da altura total, por questões de segurança, evitando transbordamento e pela produção de espuma durante o processo. Portanto, primeiramente calcula-se o volume referente a ¾ do cone, definindo o raio menor r, equivalente à 5,10cm (diâmetro aproximado ao diâmetro de válvula necessário). O volume de um tronco de cone é definido por:

(5)

com R sendo o raio maior do cone, r o raio menor e h a altura do tronco. Com a angulação de 70º, o valor de R é obtido por relação trigonométrica:

(6)

(7)

Substituindo as relações, tem-se:

( ) (

)

₍₈₎

O mesmo cálculo é efetuado para a parte restante da parte cônica. Somando-se as propriedades da parte cilíndrica a parte cônica e aplicando as proporções de Blakeborough (1967) como demonstrado no Quadro 3, tem-se para o reator as dimensões apresentadas no Quadro 4:

Quadro 4: Dimensões do fermentador idealizado para o projeto. FERMENTADOR PRINCIPAL

DIMENSÃO MEDIDA

Diâmetro da Parte Cilíndrica 0,8982 m

Altura da Parte Cilíndrica 1,347 m

Diâmetro Inferior Parte Cônica 0,051 m

Diâmetro Superior Parte Cônica 0,8815 m

Altura Parte Cônica 1,141 m

Altura Total 3,110 m

Altura de Instalação do Impelidor 1,437 m

Altura das Pás do Impelidor 0,2964 m

Diâmetro do Impelidor 0,2964 m

Altura de Instalação do Dispersor 1,141 m

Largura das Chicanas 0,008982 m

Altura das Chicanas 1,347 m

Volume Total 1494,1 L

Volume Líquido 1100 L

Volume ¾ do Cone (Lama) 110 L

Fonte: Autoria Própria.

Seria ideal que se encontre um fermentador cervejeiro com as proporções próximas aquelas acima descritas e apresentadas na Figura 21, mas que por ser uma construção padronizada terá um custo muito mais reduzido e poderá receber mais acessórios e/ou pequenas mudanças para adaptar-se a produção do hidromel como projetada neste trabalho.

Figura 21: Esquema do reator. Cotas em milímetros.

Fonte: Autoria própria.

3.2.3. Inoculação

Como discutido anteriormente, as leveduras escolhidas foram as leveduras comerciais secas chamadas ICV DV47, devido a características chave, como a temperatura de fermentação ideal de 20°C ± 10°C, a sua tolerância alcoólica de 14%, características organolépticas finais agradáveis de aroma e sabor residual e custo baixo de mercado; além disso, possuem um baixo requerimento de nitrogênio e médio consumo de oxigênio, o que reduz custos com suplementação do mosto. Outras opções de leveduras foram cogitadas e comentários foram feitos em uma tabela anexada no fim deste trabalho, com custos, característica físico-químicas e organolépticas finais.

O starter será produzido como discutido na Seção 2.2.3, para que se cultive uma colônia de leveduras ativas e viáveis suficientes em número para serem inoculadas no fermentador principal. Este starter deve ter início 2 dias antecedentes da inoculação principal para a execução das diluições e multiplicação das células até que se chegue em um número

aproximado de 1x106 a 100x106 por ml, executando o que se considera como uma “High Cell

Density Fermentation Pitching Rate”.

Para tal objetivo, inicia-se a diluição de 10 pacotes de 5g de leveduras ICV D47 em erlenmeyers (abertos) separados, contendo 50 ml de água morna esterilizada (fervida por 15 minutos e reduzida a 38°C) com agitação por 15-30 minutos. Depois desse pequeno tempo de reidratação, adiciona-se mel e água em um erlenmeyer único onde são vertidas as leveduras reidratadas com uma densidade de 1.030 e 100ml de mosto suplementado com 267mg/L de nitrogênio com suplementos comerciais nitrogeno-fosforados da marca Fermaid®K, a partir das instruções descritas na Seção 2.2.3 utilizando um total de 500g de produto fracionado em 5 porções de 100g que serão adicionados em 4 diferentes momentos para otimizar o crescimento das leveduras.

A partir deste ponto, aguarda-se cerca de 2 horas para verter ambos erlenmeyers em um recipiente de até 1 litro, com entrada de ar controlada e agitação, e novamente realiza-se uma diluição até que atinja 1.060 de massa específica e 10 litros de mosto à uma temperatura de aproximadamente 33°C. A partir desta segunda diluição e 4 horas de espera, pode-se utilizar um recipiente de até 50 litros e realizar nova diluição mantendo a densidade à 1.060 e volume de até 40 litros de mosto numa temperatura de 28°C.

Finalizando esta etapa, utiliza-se o tanque intermediário para realizar a última diluição até 100 litros de mosto para aguardar cerca de 8 horas para que se possa dar início a inoculação principal, mantendo a levedura à temperatura de 23°C, ajustando a densidade do mosto principal para o valor desejado de 1.129 e a suplementação para atingir os 267mg/L de substâncias nitrogeno-fosforadas e dar-se início à aeração intermitente (tanque principal pode estar como o mosto a uma faixa de temperatura média entre 15 e 25°C - sendo o encontrado em nossas pesquisas climáticas uma temperatura anual média de 23,4°C).

Pode-se ainda, executar o reaproveitamento de inóculo, fazendo com que seja economizado cerca de ½ da injeção de inóculo “fresco” no fermentador, bastante que se multiplique em um recipiente o starter normal e em outro paralelo, uma parte superior da lama decantada após o resfriamento do reator. Essa alíquota superior da lama é replicada como um cultivo de leveduras líquidas em temperatura crescente de modo a lentamente chegar aos 38°C e depois chegar a reservatórios maiores até o ponto onde será misturada ao inóculo fresco no tanque anterior ao principal (100L).

3.2.4. Fermentação