APLICAÇÃO DE AGITAÇÃO NOS PROCESSOS FERMENTATIVOS
Luiz Carlos Urenha
Aluno de Pós-Graduação do Depto. de Engenharia Química da
EPUSP
IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas
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III - PROJETO DO SISTEMA DE AGITAÇÃO
III.1 – DEFINIÇÃO DA GEOMETRIA DO TANQUE O projeto do sistema de agitação começa pela definição do volume do tanque que deverá ser agitado. O volume do tanque é função de diversas variáveis, entre as quais: produção desejada, tipo de operação do tanque (continua, descontinua ou semi-continua) e limitações físicas como por exemplo o espaço disponível para instalação dos mesmos. Muitas vezes, o tanque já existe e deverá ser adaptado ao processo em questão. De qualquer maneira, o projeto inicia-se com a definição do volume do tanque. Em seguida, a geometria do tanque deve ser definida. Com base na relação (altura de líquido) / (diâmetro do tanque) e na relação (altura total) / (diâmetro do tanque), que devem ser pré-definidas em função do processo, determina-se tanto o diâmetro do tanque quanto sua altura e a altura de líquido. [topo]
III.2 – CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO Após a definição do volume e geometria do tanque, devemos coletar o maior número possível de informações sobre o processo, como: densidade, viscosidade e tensão superficial do meio líquido ou dispersão gás-líquido a ser agitada; como estas características vão variar durante o processo; qual é a sensibilidade ao cisalhamento do material a ser agitado; vazão do gás e sua variação durante o processo no caso de dispersões gás-líquido; informações sobre a termodinâmica do processo e o fluxo de calor necessário; características da suspensão sólido-líquido ou sólido-líquido-gás se for o caso; etc. Enfim, devemos conhecer o máximo possível do comportamento do sistema para não cometermos falhas de projeto do sistema de agitação. [topo]
III.3 – DEFINIÇÃO DO TIPO DE IMPELIDOR O tipo de impelidor a ser usado é função de fatores como cisalhamento, capacidade de bombeamento e padrão hidrodinâmico do escoamento provocado. Em processos fermentativos, o impelidor mais utilizado é a turbina Rushton, de seis pás planas com um disco central para direcionamento do gás para as pás. No entanto, este é também um dos impelidores que provoca maior cisalhamento. Portanto, impelidores como hélice marinha, turbinas com pás inclinadas ou impelidores helicoidais são muitas vezes recomendados. Mais raramente vemos a aplicação de impelidores especiais. O padrão hidrodinâmico de escoamento pode ser avaliado, muitas vezes, através de recursos de fluidodinâmica computacional. É inclusive preferível que estes softwares sejam aplicados para que se defina se o impelidor escolhido poderá atender à demanda necessária. [topo]
III.4 – DEFINIÇÃO DAS DIMENSÕES E QUANTIDADE DE IMPELIDORES A dimensão do(s) impelidores pode ser definida de duas maneiras: (1) através de aplicações de regras práticas que relacionam o diâmetro total do impelidor com o diâmetro do tanque; (2) através de recursos de fluidodinâmica computacional. A quantidade de impelidores é função do volume do tanque, mais especificamente da altura de líquido no tanque. Desta forma, todo o volume líquido deve ser agitado e cada impelidor deverá agitar igual volume de líquido. Há regras práticas que relacionam a distância entre impelidores com o diâmetro dos mesmos. Desta forma, é possível calcular a quantidade de impelidores. [topo]
III.5 – DEFINIÇÃO DAS VELOCIDADES MÍNIMA E MÁXIMA DE ROTAÇÃO DO IMPELIDOR A velocidade máxima de rotação do eixo onde estão fixados os impelidores é aquela que permitirá a dispersão do oxigênio e a homogeneização do meio de cultura no caso mais extremo do processo, ou seja, quando ocorrer a maior concentração celular ou quando a velocidade de consumo de oxigênio for a mais elevada. Neste ponto, provavelmente teremos viscosidade elevada. Além disso, o cisalhamento provocado deverá ser suportado pelos microrganismos. De uma forma geral, o cisalhamento é proporcional ao diâmetro do impelidor, conforme a relação:
onde: Q = capacidade de bombeamento do impelidor D = diâmetro do impelidor (m) x = expoente que varia normalmente entre 1,0 e 2,5 No entanto, há limitações físicas para a velocidade máxima dos impelidores, dadas por detalhes construtivos dos fermentadores como torção máxima suportada pelo eixo, velocidade máxima suportada pelo selo mecânico, etc. Uma forma de se calcular a velocidade máxima é através da imposição de que o número de Reynolds deverá ser maior que 5.000, garantindo assim turbulência durante a agitação. A velocidade mínima é aquela que vai ser usada durante a esterilização do equipamento, quando não há aeração. Sua função é simplesmente garantir a homogeneização térmica do meio de cultura. Para fermentadores de laboratório, a velocidade mínima típica é de 50 a 100 rpm. A velocidade máxima é função principalmente da capacidade de resistência ao cisalhamento. Assim, para bactérias e leveduras podemos chegar a 1.500 rpm. Em fermentadores industriais, as velocidades máximas típicas estão entre 100 e 500 rpm, em função do diâmetro do impelidor e da resistência do microrganismo ao cisalhamento. [topo]
III.6 – CÁLCULO DO NÚMERO DE REYNOLDS E DO DIÂMETRO DOS IMPELIDORES O número de Reynolds modificado, empregado para projetos de sistemas de agitação é dado por:
onde: n = velocidade de rotação do impelidor (s-1) Di = diâmetro do impelidor (m) r = densidade do meio de cultura (kg/m3) m = viscosidade do meio de cultura (kg/m.s) Desta forma, ao impormos determinados valores para Re e conhecendo as características fisicoquímicas do meio bem como as velocidades máxima e mínima de projeto do impelidor, seu diâmetro pode ser calculado. [topo]
III.7 – CÁLCULO DO NÚMERO DE POTÊNCIA E DA POTÊNCIA NÃO-AERADA Uma vez conhecido o valor ou os valores previstos para Re e dado o tipo de impelidor, podemos usar ábacos como o mostrado na Figura 2 (Aiba et al., 1973) para avaliar o número de potência NP.
FIGURA 2: ÁBACO DO NÚMERO DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE REYNOLDS O número de potência é dado pela relação:
onde: P = potência não-aerada (kg.m/s) gc = aceleração da gravidade (m/s2) n = velocidade de rotação do impelidor (s-1) Di = diâmetro do impelidor (m) r = densidade do meio de cultura (kg/m3) Uma vez conhecido o número de potência, podemos calcular a potência não-aerada que teoricamente deverá ser transferida ao meio de cultura para a manutenção da turbulência necessária ao processo. Denominamos potência não-aerada aquela que deve ser transferida ao meio de cultura na ausência de aeração. [topo]
III.8 – CÁLCULO DO NÚMERO DE AERAÇÃO E DA POTÊNCIA AERADA Ao aerarmos o meio de cultura, suas densidade e viscosidade aparentes serão menores que as apresentadas pelo sistema não-aerado. Desta forma, a potência real a ser transferida ao meio com aeração é menor que aquela calculada no item III.7. A relação Pg/P, entre a potência aerada e a não aerada pode ser obtida a partir de ábacos como o da Figura 3 (Aiba et al., 1973).
FIGURA 3 ÁBACO DA RELAÇÃO Pg/P EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE AERAÇÃO O número de aeração Na é dado pela relação:
onde: Q = vazão de ar (m3/s) n = velocidade de rotação do impelidor (s-1) Di = diâmetro do impelidor (m) Portanto, uma vez definidos o tipo e a velocidade de rotação do impelidor, seu diâmetro e a vazão de ar a ser aplicada ao processo, o número de aeração pode ser calculado. A relação Pg/P é então obtida do ábaco da Figura 3. Como o valor de P já foi previamente calculado, o valor de Pg é então obtido. Note que tanto o valor de P como o de Pg obtidos são baseados em ábacos empíricos. A literatura apresenta outros ábacos e outras relações além dos ábacos e relações apresentados aqui. Estes são os mais conhecidos. No entanto, em função de especificidades do processo, ábacos e relações mais apropriados podem ser buscados e utilizados. Com os valores de P e Pg, o motor e motorredutor do sistema de aeração podem ser especificados. Nunca se deve esquecer que parte da potência transferida ao eixo do sistema de agitação será perdida em rolamentos, selos mecânicos, etc. Desta forma, o motor e motorredutor devem ser projetados para oferecerem valores reais maiores que P calculado. Um valor de referência para a potência transmitida ao meio de cultura em fermentadores de grande porte é 1 HP/m3 de meio de cultura. No entanto, fermentadores de laboratório chegam a transferir até 20 HP/m3. [topo]
Uma série de outros cálculos são necessários quando do projeto do sistema de aeração e do próprio fermentador que vai utilizá-lo. Entre estes cálculos podemos citar: a área de troca térmica, a espessura do tanque e da camisa ou serpentina, a largura das chicanas, a espessura do eixo do sistema de agitação, etc. Via de regra, o construtor do tanque tem capacitação para efetuar estes cálculos, não cabendo portanto ao projetista do aerador efetuá-los. [topo] |
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