MODELO DINÂMICO DE UM BIORREATOR AERADO PARA A
PRODUÇÃO DE ENZIMAS
D. R. M. VIEIRA1, S. A CARDOSO2, M. G. S. SOUZA3, A. S. SANTOS1.
1
Universidade Federal do Pará, Faculdade de Química, Instituto de Ciências Exatas e Naturais
2
Universidade Federal do Pará, Faculdade de Biotecnologia, Instituto de Ciências Biológicas
3
Universidade Federal do Pará, Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, Instituto de Ciências Biológicas
E-mail para contato: danielramonma@gmail.com
RESUMO: Foi proposto um modelo dinâmico, a partir do balanço de massa num biorreator aerado, para a estimação de parâmetros do processo de produção de enzimas peroxidase através do metabolismo do microrganismo “MIDA0630” cultivado em meio de “extrato de malte e rbbr (Azul Brilhante de remazol r)”. As fases suportadas por esse sistema são líquida, gás-líquido e sólido-líquido. A transferência de massa gás-líquido foi tratada com grande importância, pois a solubilidade de nutrientes líquido e gasosos (oxigênio molecular e dióxido de carbono) são fatores importantes, e limitantes para as culturas. Para entender esta questão e se obter um maior controle da solubilidade de gases na fase líquida, faz-se uso de um sistema aerado através de um tubo de alimentação onde é injetado na fase líquida. A partir de um modelo dinâmico proposto pode se obter uma melhor representação da condição real, o que permitiu a identificação de parâmetros do processo que possam predizer com mais acurácia o comportamento real do processo de produção enzimática no biorreator aerado.
1. INTRODUÇÃO
De acordo com Oliveira-Lopes e Da Cunha (2008) Biorreatores ou reatores bioquímicos é o termo utilizado para descrever um recipiente contendo uma reação biológica, ou seja, representam todo e qualquer local onde células e enzimas realizam a conversão de substrato em produto e, neste sentido Oliveira-Lopes e Da Cunha (2008) diz que até uma célula pode ser considerada como um reator. Os fermentadores foram os primeiros reatores desenvolvidos.
Froment et al (2010) afirma que existe variados tipos de reatores na indústria química. Inclusive ele afirma que existem vários tipos de reatores para a mesma operação, tais como nitração do tolueno, onde podem ser utilizados: o reator descontínuo, o de tanque agitado contínuo e reatores de tanques
agitados em série. Froment et al (2010) ainda fala que reatores de fluxo do tipo tubular são também utilizados em processos amplamente diferentes como a nitração de glicerina, a sulfonação de compostos aromáticos, ou reações em fase gasosa, tais como o craqueamento térmico ou a nitração de parafinas. Continuando o raciocínio Froment et al (2010) explica que os reatores de fluxo com leito fixo de partículas de catalisadores são usados na síntese de amoníaco ou de metanol e na oxidação de xileno em anidrido ftálico. Uma série de reatores de leito fixo é utilizado na síntese de SO3 ou na
reformação de hidrocarbonetos. Reatores com leito fluidizado ou em movimento são usados para craqueamento de hidrocarbonetos, para a oxidação de naftaleno, ou para oxychlorinating etileno.
Hill e Root (2014) fala que reatores de tanque simples podem ser operados de uma variedade de modos: batelada, semibatelada e fluxo contínuo. Estes modos encontram-se ilustrados esquematicamente na Figura 1.
Hill e Root (2014) explicam que no reator de batelada simples todos os elementos do fluído tem a mesma composição, porem a composição ira variar com o tempo. O reator de tanque agitado pode também ser operado na forma de semibatelada. Hill e Root (2014) diz que para isso, o tanque deve ser preenchido com o reagente parcialmente, e reagentes serão adicionais adicionados progressivamente até que a composição final desejada seja atingida. Hill e Root (2014) mostra outro método, onde se carrega os reagentes de uma só vez e remove continuamente os produtos à medida que são formadas. No modo de fluxo contínuo de operação do reator de tanque agitado é continuamente alimentado com alimentos para animais; ao mesmo tempo, um volume igual de conteúdo do reator é descarregado a fim de manter um nível constante no tanque. A composição da corrente de efluente é idêntica com a do fluido que resta no tanque.
Fogler (2012) diz que o reator usado em processamento industrial é o tanque agitado operado continuamente. É chamado de reator de tanque agitado de fluxo contínuo (CSTR) ou reator de retromistura, sendo usado principalmente para reações em fase líquida. Hill e Root (2014) explica que o reator de tanque agitado de fluxo contínuo é geralmente apenas o que o nome indica, tanques nos quais reagentes fluem e a partir do qual uma corrente de produto é removida em uma base contínua. O CSTR é normalmente operado em estado estacionário e é considerado estar perfeitamente misturado; consequentemente, a temperatura, e a concentração são idênticas em qualquer ponto no interior do tanque de reação, elas são as mesmas na saída como em qualquer outro ponto do tanque. Assim Fogler (2012) afirma que a temperatura e a concentração na corrente de saída são modeladas como sendo iguais àquelas no interior do reator. Hill e Root (2014) explica que a principal utilização do reator é em reações de fase líquida na indústria de produtos químicos orgânicos, particularmente em sistemas que são caracterizados por velocidades de reação relativamente lenta Hill e Root (2014) completa falando que os reatores de tanque agitado de fluxo contínuo são utilizados amplamente na indústria de processo químico, mesmo podendo ser utilizados de forma individual geralmente é preferível empregar uma bateria de tais reatores ligados em série. Hill e Root (2014) comentam quanto à eficácia de tais baterias, dependendo do número de reatores utilizados, os tamanhos dos reatores de componentes, ira influenciar na eficiência da mistura dentro de cada fase.
Entre os reatores aerados há o quimiostato. Novick e Szilard (1950) explicam que o reator aerado (quimiostato) é um dispositivo feito para manter uma população de Micro-organismos crescendo a uma taxa reduzida durante um período de tempo indefinido. Neste dispositivo temos um recipiente (que pode ser referido de tubo de crescimento) contendo um volume V ml de suspensão de bactérias. Novick e Szilard (1950) em seu trabalho explica que um fluxo constante de nutrientes flui a partir de um tanque de armazenamento a uma taxa de w ml/s para o tubo. Os conteúdos do tubo são agitados, fazendo borbulhar ar através do mesmo, e os micro-organismos são mantidos homogêneos dispersos ao longo do tubo e durante todo o processo. Novick e Szilard (1950) explicam que a um transbordamento que define o nível de líquido no tubo de crescimento, é pelo transbordamento que a suspensão dos micro-organismos deixa o tubo ao mesmo ritmo que os nutrientes frescos entra nele.
O biorreator que foi estudado apresenta as seguintes vantagens como um bom controle do sistema, pois pressão e temperatura podem ser facilmente controladas, suporta processos em duas fases, e é de fácil limpeza. Como desvantagem tem-se um menor rendimento médio, havendo uma menor conversão por unidade de volume do que em outros reatores. Então, entender a questão da transferência de massa nesse processo é muito importante e irá ajudar no melhoramento biológico da transferência de massa, uma vez que, tratando-se de cultura de organismos, a solubilidade de nutrientes líquidos em oxigênio molecular e dióxido de carbono, são fatores importantes, e limitantes para tais culturas e para o processo de produção enzimática. Para controlar a solubilidades de gases na fase líquida, faz-se uso de aeração com a injeção para a fase líquida de oxigênio previamente filtrado. Pretende-se fazer a comparação de um modelo matemático dinâmico para o processo no biorreator em comparação com os resultados obtidos num biorreator instrumentado real com o objetivo de identificar o coeficiente global de transferência de massa, KLb e KLh , de forma precisa e que melhor prediz o
comportamento real do processo.
Assim, permitir de forma acertada a comparação entre distintas condições de operação no biorreator, e conduzir ao scale up da produção. Os modelos matemáticos são ferramentas importantes para otimizar o projeto e operação de fermentação em biorreatores contínuos tanque agitado. Tais modelos descrevem os fenômenos de transporte dentro do recipiente do biorreator que contém o substrato e os gases de aeração, e então busca obter valores precisos de, KLb e KLh,
que permite analisar as trocas de massa e energia entre as fases líquida e os gases do espaço interno.
O presente trabalho busca analisar essas taxas de transferência de massa no interior do biorreator, e também discute os resultados que foram alcançados através das simulações, a fim de torná-los ainda ferramentas mais poderosas para a otimização do desempenho do biorreator.
Portanto, uma investigação detalhada e que possibilite uma melhor compreensão da influência desses parâmetros, KLb e KLh, apresentada no presente plano de trabalho é de
extrema importância, e tal investigação será realizada através da ferramenta de modelagem e simulação computacional desse processo. Por este motivo, o presente plano busca desenvolver
estudos nas áreas de modelagem e simulação de processos de produção de enzimas em biorreator aerado a fim de realizar estudos de investigação preditiva capaz de reproduzir resultados experimentais padrões.
Foi feito um estudo utilizando os dados mais relevantes obtidos em ensaios laboratoriais preliminares, e com os quais em seguida foram ajustados com os resultados obtidos através dos modelos dinâmicos desenvolvidos no projeto proposto, e solucionados computacionalmente através de softwares adequados.
O biorreator proposto consistiu de tanque agitado com aeração, onde ocorre a transferência de massa gás-líquido, que é um fator importante desse processo. Uma vez que, tratando-se de uma cultura de microrganismos, a solubilidade de nutrientes líquidos como o oxigênio molecular e com o dióxido de carbono, são fatores importantes, e limitantes. Com o objetivo de obter um maior controle da solubilidade de gases na fase líquida, faz-se uso da aeração que injeta ar previamente filtrado no biorreator através de um tudo para a fase líquida. Então, o sistema é estruturado com as seguintes fases: fase líquida e fase gasosa, subfases líquida, subfases head space (espaço entre a fase líquida e o topo do biorreator) e bulk (massa de bolhas de ar). A Figura 1 apresenta uma foto do biorreator tanque agitado que pertence ao LabISisBio da UFPA e que será utilizado para obter os resultados experimentais que serão usados para estudo de otimização dessa biotransformação.
Figura 1 - Foto do biorreator que será utilizado para obter os resultados experimentais.
2. METODOLOGIA
As equações que descrevem o modelo matemático do problema foram desenvolvidas através de um balanço de espécies para a espécie gasosa, O2, baseadadas no estudo proposto por
artigo presente nas fases do biorreator líquida, head space e bolha. ). A Figura 2 apresenta um esquema teórico do biorreator utilizado para fazer as proposições do modelo.
Figura 2 - Esquema do Biorreator.
a) Balanço de massa (O2) para a parte líquida do biorreator:
(1)
b) Balanço de massa (O2) para a parte head space do biorreator:
(2)
(3)
onde Cl, Cb, Ch são as concentrações de O2 na fase líquida, bolha e head space, respectivamente,
em mol/m3, KL,b e KL,h são os coeficientes de transferência de massa entre bolhas e liquido, head
space e líquido, respectivamente em m/h, KH é a constante de Henry , Ab, Ah são a área de
transferência de massa entre as bolhas e o líquido e entre head space e o líquido, respectivamente em m2, Vl,, Vb e Vh são os volumes do das áreas do tanque de líquido, head space e bolhas em
m3, enquanto o φg é a taxa de fluxo de gás em m3/h. Enquanto qcell representa a taxa de
respiração da célula em mol/m3h.
As eqs. (1-3) foram solucionadas numericamente empregando-se o pacote de solução de equação diferenciais ordinárias do software Mathematica, e com o comando NDSolve desse software que soluciona numericamente equações diferenciais, com as seguintes condições iniciais:
Cb(t = 0) = Cg,in; Cl(t = 0) = 0; Ch(t = 0) = 0 (1-6)
3. RESULTADOS
Resultados simulados foram obtidos e comparados com os resultados experimentais. Os resultados simulados foram obtidos utilizados os dados apresentados na Tabele 1. Esses dados foram obtidos diretamente das condições de operação no biorreator aerado.
Tabela 1 – Dados utilizados nas simulações.
Vl (m3) Vb (m3) Vh (m3) g (m3/h) Cg,in (mol/m3) Ah (m2) Ab (m2) Al (m2) KH VT (m3) 0,0076 1,4137x 10-5 0,00594 0,75 23,3413 0,0283 0,0028 0,0283 0,0295 0,00761414
Os parâmetros de transferência de massa KLb e KLh foram estimados através das
simulações dos resultados obtidos e comparados com os resultados experimentais, os quais foram utilizados para o ajuste da curva. O valor da constante de Henry, KH, também foi estimado
através do modelo proposto. O resultado obtido foi plotado em gráfico e está apresentado conforme o estudo que foi realizado na Figura 2.
Figura 2 – Perfil da fração de oxigênio na fase líquida em função do tempo no biorreator aerado em T= 29,4 ºC.
A Figura 2 apresenta o perfil da fração de oxigênio presente na fase líquida, ( ) obtido através da solução das equações do modelo e também o perfil da fração de oxigênio presente na fase líquida, ( ) obtido experimentalmente num biorreator aerado, e a partir do ajuste dessa curva com os resultados experimentais, foi possível obter os valores para dos parâmetros físicos KLb igual a 48 m/h , KLh igual a 74,5 m/h e KH igual a 0,0295. Observa-se na Figura 2 que o
resultado obtido pelo modelo foi capaz de se ajustar aos resultados experimentalmente num processo em biorreator aerado conforme as condições estabelecidas na Tabela 1, entretanto os últimos dois pontos experimentais não ficaram bem ajustados com o resultado simulado, indicando assim a necessidade de se fazer mais refinamentos dos parâmetros KLb , KLh e KH.
Os resultados obtidos para KLb e KLh mostram que o parâmetro KLh , que representa o
coeficiente de transferência de massa de oxigênio entre a fase a liquida e o headspace, é bem mais significante que o coeficiente de transferência de massa de oxigênio entre as fases líquida e bolha, KLb , para as condições apresentada na Tabela 1, indicando assim, que há uma maior
transferência de oxigênio da fase líquida para o headspace. Isso mostra que é necessário fazer ajustes na condição de operação do biorreator para otimizar a quantidade de oxigênio alimentado, pois a quantidade de oxigênio se transferindo para o headspace é elevada, e isso não é bom, pois indica que quantidade elevada de oxigênio está sendo desperdiçada.
0 1 2 3 4 5 6 t 0.7 0.8 0.9 1.0 C Cl Exp Cl
4. CONCLUSÃO
Foi feito um estudo através de um modelo dinâmico num biorreator aerado para a produção de enzimas. Esse modelo apresentou resultados simulados que foram comparados com resultados experimentais de um processo num biorreator sob as mesmas condições.
Foram obtidos resultados de parâmetros físicos KLb, KLh e KH através do ajuste entre os
resultados experimentais e os obtidos através do modelo proposto.
Os resultados obtidos para os parâmetros KLb e KLh mostraram a sua importância na
condição de operação no biorreator, e indicaram ações que devem ser realizadas na operação do biorreator com o intuito de otimizar o processo.
Os resultados evidenciam que é necessário um refino melhor dos parâmetros KLb e KLh
para um melhor ajuste dos dados experimentais com os calculados pelo modelo.
O modelo apresentado conseguiu ajustar satisfatoriamente com os resultados experimentais.
6. REFERÊNCIAS
FOGLER, H. Scott. Elementos de engenharia das reações químicas. LTC, 2012.
FROMENT, G. F; BISCHOFF, K. B; WILDE J; Chemical Reactor Analysis and Desing. 3º Ed. John Wiley & Sons, Inc. 2011.
HILL, G. C. JR.; ROOT, W. T; An Introduction To Chemical Engeneering Kinects & Reactor Design. 1º Ed. New York Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore: John Wiley & Sons, Inc. 2014.
MÜLLER, S.; MURRAY, D. B.; MACHNE, R;. A new dynamic model for highly efficient mass transfer in aerated bioreactors and consequences for kLa identification. Biotechnology and bioengineering, v. 109, n. 12, p. 2997-3006, 2012.
NOVICK A.; SZILARD L.; Description of the Cheostat; Science, Estados Unidos, vol. 112, p 715-716, 15 de Dezembro de 1950.
OLIVEIRA-LOPES, L. C; DA CUNHA, M. B; Simulação de Biorreatores Contínuos com Células Imobilizadas para a Produção de Etanol. Horizonte Científico, vol. 2, nº. 2, 2008.
