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Previous issue date: 2005-03-28 / Financiadora de Estudos e Projetos / The importance of the airlift bioreactor has grown in the biotechnology
field by aspects as high oxygen transfer, with power input low.
In this work were study the conditions heat and mass transfer, as well
as the condenser efficiency in the water retention, of an airlift bench bioreactor of
internal circulation of useful capacity 6 L. Such bioreactor is endowed with hollow
draft tube working as a heat charger for temperature control and of aspersor type
crosspiece for aspersion of air.
Values of the heat transfer global coefficient (U) were certain in different
operation conditions starting from applied energy balance in the system after the
same to reach the steady state. Values of U varied in the range from 300 to 700
W.m-2.°C-1, showing that the device of thermal change proposed was efficient to
heat removal. The results were correlated with the water flow inside the draft tube
and with the feeding air flow in the bioreactor.
After this stage, it was evaluated water drags of the bioreactor system
plus condenser in different conditions of air flow and temperatures in the
bioreactor and in the condenser. The condenser was shown efficient in the water
retention, obtaining efficiency superior values to 80%, but it didn't solve the
problem of water loss by water drag for the high air flows in that the airlift
bioreactor is operated. The variable air flow was the variable that influenced more
significantly water drags.
The transfer oxygen was evaluated through the oxygen transfer
volumetric coefficient (kLa). For comparison, kLa values were obtained in the airlift
bioreactor operated in a range of specific feeding air flow from 1 to 5 vvm and in
conventional bioreactor of 4 L, in different agitation conditions (600, 800 and
1000 rpm) and aeration (0,5 and 1,0 vvm). Two methods for kLa determination
were employees, the sulfite method and the dynamic method considering the
delay of the electrode answer. This last one that generated results between 2 and
6 times inferior, depending of bioreactor type, because it evaluates the kLa in
coalescent media, similar to most of the media fermentation.
Finally, to validate the use of the system as bioreactor, cultivations with
Streptomyces clavuligerus seeking to the production of clavulanic acid, a potent
inhibitor of β-lactamase, enzyme producted by patogenics microorganism that
broke β-lactamic rings of antibiotics. Four cultivations were accomplished, two in
airlift bioreactor and two in bioreactor conventional (Bioflo III) in two different
conditions of oxygen transfer (kLa) and the results were compared in terms of
clavulanic acid production.
The maximum clavulanic acid concentrations obtained in the cultivations
in airlift bioreactor were superior those obtained in conventional bioreactor, with
minors consistence index (K), showing larger shear rate in the airlift bioreactors in
the same conditions of transfer oxygen.
In global terms, the obtained results suggest that bioreactor as the most
appropriate for this cultivation type, justified for the appropriate heat and mass
transfers formed an alliance with the smallest energy consumption. / A importância do biorreator airlift tem crescido no campo da
biotecnologia por aspectos como a sua alta transferência de oxigênio, obtida
através de consumo de potência.
No presente trabalho foram avaliadas as condições de transferência de
calor e massa, bem como a eficiência do condensador na retenção de água, de
um biorreator airlift de circulação interna, onde o ar é injetado pelo centro do tubo
interno, de bancada de 6 L de capacidade útil. Tal biorreator é dotado de tubo
interno ( draft tube ) oco funcionando como um trocador de calor para controle
de temperatura e de aspersor tipo cruzeta para aspersão de ar.
Valores do coeficiente global de transferência de calor (U) foram
determinados em diferentes condições de operação a partir de balanço de
energia aplicado no sistema após o mesmo atingir o estado estacionário. Valores
de U variaram na faixa de 300 a 700 W.m-2.°C-1, mostrando que o dispositivo de
troca térmica proposto foi eficiente na remoção de calor.Os resultados foram
correlacionados com a vazão de água no interior do tubo interno e com a vazão
de alimentação de ar no biorreator.
Após esta etapa, avaliou-se o arraste de água do sistema biorreator mais
condensador em diferentes condições de vazão de ar e de temperaturas no
biorreator e no condensador. O condensador mostrou-se eficiente na retenção
de água, obtendo valores de eficiência superiores a 80%, mas não solucionou
por completo o problema de perda de água do sistema por arraste pelos altos
fluxos de ar em que se opera o biorreator airlift. A variável vazão de ar foi a
variável que influenciou mais significativamente o arraste de água.
A transferência de oxigênio foi avaliada através do coeficiente
volumétrico de transferência de oxigênio (kLa). Para efeito de comparação,
valores de kLa foram obtidos no biorreator airlift operado numa faixa de vazão
específica de alimentação de ar de 1 a 5 vvm e em biorreator convencional de 4
L, em diferentes condições de agitação (600, 800 e 1000 rpm) e aeração (0,5 e
1,0 vvm). Dois métodos para determinação do kLa foram empregados, o método
do sulfito e o método dinâmico considerando o atraso da resposta do eletrodo.
Este último que gerou resultados entre 2 e 6 vezes inferiores, dependendo do
tipo do biorreator, pois avalia o kLa em meios coalescentes, similares à maioria
dos caldos de fermentação.
Por fim, para validar a utilização do sistema como biorreator, foram
realizados cultivos com Streptomyces clavuligerus visando à produção de ácido
clavulânico, um potente inibidor de β-lactamases, enzimas produzidas por
microrganismos patogênicos que clivam o anel dos antibióticos β-lactâmicos.
Foram realizados quatro cultivos, dois em biorreator airlift e dois em biorreator
convencional (Bioflo III) em duas diferentes condições de transferência de
oxigênio (kLa) e os resultados foram comparados em termos de produção do
ácido clavulânico.
As concentrações máximas de ácido clavulânico obtidas nos cultivos em
biorreator airlift foram superiores àquelas obtidas em biorreator tipo tanque
agitado e aerado, com menores índices de consistência (K), mostrando maior
cisalhamento nos biorreatores airlift nas mesmas condições de transferência de
oxigênio.
Em termos globais, os resultados obtidos sugerem esse biorreator como
o mais adequado para este tipo de cultivo, justificado pelas adequadas
transferências de calor e massa aliadas ao menor consumo de energia.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/4165 |
| Date | 28 March 2005 |
| Creators | Cerri, Marcel Otávio |
| Contributors | Badino Júnior, Alberto Colli |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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