Os estudos de transferência de oxigênio foram realizados no biorreator de 5 litros, que foi desenvolvido principalmente para esse propósito. Para a determinação correta da concentração
de oxigênio dissolvido foi necessária a manutenção de uma vazão de ar constante, pois a vazão de ar influencia no gás holdup, densidade do meio, e pressão interna devido à perda de carga no filtro de saída, e, conseqüentemente, na calibração do sensor de OD. ). Na caracterização hidrodinâmica do biorreator, o meio de cultura foi simulado com uma solução de 0,15 M de NaCl.
4.9.2.1 Vazão de ar e gás holdup
A vazão de ar foi medida com a utilização de um bolhômetro construído com um tubo de vidro e plástico PVC com as seguintes dimensões: ∅ = 1,72 cm, A = 2,32 cm2, H = 95 cm e V =
0,22 L. As medidas foram realizadas utilizando o tempo necessário para o volume do tubo ser preenchido com os gases da saída do biorreator, o qual foi controlado através do deslocamento de uma bolha de sabão ao longo do tubo de vidro. Para a caracterização hidrodinâmica do biorreator, foi utilizada uma faixa de vazão específica de ar de 0,04 a 1,00 vvm (Quadro 4.5). Entretanto, para os cultivos foram estabelecidos três valores de vazão de ar, sendo a menor utilizada (0,20 vvm) a mínima necessária para uma boa mistura e manutenção da biomassa em suspensão durante o cultivo. A maior vazão (0,52 vvm) foi limitada pela forte turbulência gerada na área de desgasagem no topo do riser, e que provocava muita geração de espuma e arraste de material pela saída de gases. Também foi utilizada uma vazão média (0,36 vvm).
O gás holdup pode ser determinado através do método da expansão do volume (CHISTI, 1989), onde se utiliza a medida da altura da coluna de líquido estático no biorreator e da altura da dispersão gás-líquido sob aeração. Entretanto, como no biorreator deste estudo ocorre variação do diâmetro da coluna de líquido entre o riser e o separador de gás, o gás holdup foi medido através da retirada de volume de líquido sob aeração até atingir o nível do líquido antes da aeração. O volume de líquido equivalente à expansão (VE) foi medido com utilização de uma
proveta e utilizado para o seguinte cálculo:
E D V ε = V Onde: ε = gás holdup (-)
VE = aumento do volume de líquido pela expansão do gás (L)
VD = volume da dispersão gás-líquido (L)
Esse método não permite a determinação do gás holdup individualmente no riser e no
downcomer, tendo sido necessário recorrer a outros métodos, como o manométrico, para esse
fim. Neste trabalho somente foi determinado o gás holdup total, que é equivalente ao gás holdup no riser quando a eficiência do separador de gás for alta.
Tempo de ascensão da bolha no bolhômetro (s) Vazão de ar (L.min-1) (vvm) 66,0 0,2 0,04 22,0 0,6 0,12 13,2 1,0 0,20 9,4 1,4 0,28 7,3 1,8 0,36 6,0 2,2 0,44 5,1 2,6 0,52 4,4 3,0 0,60 3,9 3,4 0,68 3,5 3,8 0,76 3,1 4,2 0,84 2,9 4,6 0,92 2,6 5,0 1,00
Quadro 4.5 Vazões de aeração para caracterização hidrodinâmica do biorreator airlift de 5 L. Os valores em destaque foram estabelecidos para os estudos de transferência de massa.
4.9.2.2 Velocidade de circulação de líquido
A circulação do líquido em biorreatores airlift é devida à diferença de densidade do fluido entre o riser e o downcomer. O fluido circula ao longo de um caminho bem definido: subindo pelo
riser e descendo pelo downcomer. A velocidade média de circulação (ŪLc) é definida (BLENKE,
1979) como: c Lc c =x U t
Onde: xC = distância percorrida por um traçador durante uma circulação completa (m)
tC = tempo médio para uma circulação completa (s)
Técnicas utilizando traçadores têm sido utilizadas para determinar a velocidade média de circulação (BELLO et al., 1984). Devido às variações de diâmetro entre o riser e o downcomer, os valores da velocidade superficial medida no downcomer (ULd) ou no riser (ULr) são mais
expressivos, e o critério da continuidade pode ser utilizado para relacioná-las:
Lr r = Ld d
U A U A
Onde: Ar = área da seção transversal do riser (cm2)
Ad = área da seção transversal do downcomer (cm2)
(4.46) (4.45)
Apesar de as técnicas que utilizam traçadores serem bastante precisas e relativamente simples (CHISTI, 1989; PEDRINI, 1997), utilizou-se neste trabalho uma esfera com densidade de aproximadamente 1 g.cm-3 (massa específica do líquido no downcomer), construída com poliestireno e massa epóxi, suspensa livremente no líquido. Nessa técnica, utilizada anteriormente por Kawase e Moo-Young (1986), foi medido o tempo necessário para a esfera percorrer a distância completa do downcomer para as diversas vazões de ar estabelecidas no Quadro 4.5, obtendo-se assim a velocidade superficial do líquido no downcomer para cada vazão de ar, em três repetições. A Equação 4.45 foi utilizada para se obter a velocidade superficial do líquido no riser.
4.9.2.3 Tempo de mistura
Um bom índice qualitativo da mistura é representado pelo tempo de mistura, que é definido como o tempo para o biorreator alcançar um novo estado estacionário, após uma mudança na alimentação. Existem vários métodos para determinar o tempo de mistura, utilizando o calor, a condutância, o pH, além de corantes. Numa breve revisão, Fu et al. (2003), apresentam as vantagens da técnica que utiliza calor em relação às demais. Com o auxílio dessa técnica, água quente foi introduzida pelo topo do biorreator para servir como traçador. Foram utilizados termômetros digitais idênticos para medir a temperatura no topo e na base do biorreator, registrando-se os valores simultaneamente dos dois termômetros, até o momento em que as temperaturas se igualaram, obtendo-se, assim, o tempo de mistura. O atraso na resposta do sensor de temperatura (item 4.7.6.4) foi considerado nessa determinação.
4.9.2.4 Coeficiente de atrito
Um balanço de energia em biorreator airlift fornece a Equação 4.47 que permite predizer a velocidade do líquido, onde se considera que para os biorreatores com circulação externa as perdas de energia no topo e na base, devido ao atrito nas conexões entre o riser e o downcomer, sejam iguais em função da similaridade geométrica (CHISTI, 1989).
2 D r B 2 2 d d 0,5 r d Lr r 2gh (ε - ε ) U = A 1 1 K + . (1- ε ) A (1- ε )Onde: εr = gás holdup no riser (-)
εd = gás holdup no downcomer (-)
g = aceleração devido à gravidade (m.s-2) hD = altura da dispersão gás-líquido (m)
KB = coeficiente de atrito (-)
A determinação do coeficiente de atrito foi realizada utilizando-se a Equação 4.47 e os dados experimentais de velocidade do líquido e do gás holdup, através da obtenção do coeficiente angular representado por (1/KB)0,5 (PEDRINI et al., 1996).
4.9.2.5 Coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio
A metodologia para determinação desse parâmetro é apresentada no item 4.8.2.1, e sua correção, em função do atraso no tempo de resposta do eletrodo, é apresentada no item 4.8.2.2.
4.9.2.6 Determinação da pressão no topo do biorreator
Devido à perda de carga no filtro de saída dos gases do biorreator, e a conseqüente pressurização com efeitos sobre a resposta do sensor, avaliou-se a pressão formada no topo do biorreator para ter-se um elemento a mais para interpretações. A pressão foi determinada, para as diversas vazões de ar, com a utilização de um manômetro em U com água, instalado no topo do biorreator (Figura 4.6), sendo seu valor obtido pela equação:
atm
P = ρ g h + P
Onde: P = pressão (bar)
Patm = pressão atmosférica (bar)
h = altura da coluna de líquido do manômetro (m) ρ = massa específica (g.cm-3)
Figura 4.6 Esquema do manômetro em U instalado no biorreator para determinação da pressão formada no topo devido à perda de carga no filtro de saída de gases.