Oxygen Transfer Rate (OTR)

Oxygen Transfer Rate (OTR), ou taxa de transferência de oxigênio, é a velocidade com que o oxigênio é transferido da fase gasosa para a fase líquida de um sistema. Em bioprocessos, fermentações e cultivos celulares, a OTR indica quanto oxigênio pode ser disponibilizado ao meio por unidade de tempo e volume, sendo um parâmetro essencial para avaliar se a transferência de oxigênio acompanha a demanda metabólica do cultivo.

Como funciona a Oxygen Transfer Rate?

A transferência de oxigênio ocorre devido à diferença de concentração entre o oxigênio disponível na interface gás-líquido e o oxigênio presente no meio. Em sistemas aerados e agitados, esse processo é influenciado pela eficiência de contato entre as fases gasosa e líquida.

Uma forma amplamente utilizada para representar a transferência de oxigênio é pela relação OTR = kLa × (C* − C_L), em que kLa representa o coeficiente volumétrico de transferência de massa, C* é a concentração de oxigênio no líquido em equilíbrio com a fase gasosa e C_L corresponde à concentração real de oxigênio dissolvido no meio.

Assim, a OTR aumenta quando o sistema apresenta maior capacidade de transferência de massa ou quando existe uma diferença maior entre a concentração de saturação e a concentração de oxigênio dissolvido.

Por que a OTR é importante em bioprocessos?

Em cultivos aeróbios, células e microrganismos consomem oxigênio continuamente. Quando a demanda biológica de oxigênio cresce, especialmente em cultivos de alta densidade, a capacidade do sistema de fornecer oxigênio pode se tornar um fator limitante.

Se a OTR for inferior à taxa de consumo de oxigênio do cultivo, o oxigênio dissolvido pode diminuir até níveis críticos. Essa condição pode provocar limitação de oxigênio e modificar crescimento celular, metabolismo, formação de biomassa, consumo de substratos e produção de metabólitos ou produtos de interesse.

Quais fatores influenciam a OTR?

Diferentes parâmetros operacionais e propriedades do sistema afetam a taxa de transferência de oxigênio, incluindo:

• velocidade de agitação;
• taxa de aeração;
• composição do gás utilizado;
• pressão;
• temperatura;
• geometria do reator ou recipiente;
• volume de trabalho;
• viscosidade e composição do meio;
• área de contato entre gás e líquido.

Em geral, condições que aumentam a dispersão de gás e a renovação da interface gás-líquido favorecem a transferência de oxigênio, embora seus efeitos dependam do sistema e das características do cultivo.

OTR, OUR e oxigênio dissolvido

A OTR deve ser analisada em conjunto com outros parâmetros de processo. A Oxygen Uptake Rate (OUR) representa a taxa com que as células ou microrganismos consomem oxigênio. Quando OTR e OUR estão equilibradas, o sistema consegue suprir a demanda de oxigênio do cultivo. Se a OUR ultrapassar a OTR, a concentração de oxigênio dissolvido tende a diminuir.

Por isso, a relação entre OTR, OUR e oxigênio dissolvido é útil para interpretar mudanças metabólicas, identificar limitações de transferência de massa e otimizar estratégias de aeração e agitação.

Aplicações da Oxygen Transfer Rate

A OTR é utilizada no desenvolvimento, caracterização e escalonamento de diferentes processos, como fermentação microbiana, cultivo de bactérias e leveduras, cultivo celular, produção de biomassa, processos enzimáticos aeróbios e desenvolvimento de bioprocessos.

Também é um parâmetro relevante para comparar diferentes condições de cultivo, volumes de trabalho, recipientes e configurações de mistura, permitindo avaliar a capacidade de fornecimento de oxigênio antes ou durante a execução de um processo.

Perguntas frequentes sobre Oxygen Transfer Rate (OTR)

Qual é a diferença entre OTR e oxigênio dissolvido?

O oxigênio dissolvido representa a quantidade de oxigênio presente no líquido em determinado momento, enquanto a OTR representa a velocidade com que o oxigênio é transferido da fase gasosa para o líquido.

Qual é a diferença entre OTR e OUR?

A OTR indica a taxa de fornecimento de oxigênio ao líquido, enquanto a OUR indica a taxa de consumo de oxigênio pelas células ou microrganismos. A relação entre ambas ajuda a identificar possíveis limitações de oxigênio.

Como aumentar a OTR em um bioprocesso?

A OTR pode ser aumentada por ajustes como maior agitação, maior aeração, alteração da composição do gás ou melhoria do contato gás-líquido. A estratégia adequada depende das características do sistema e do cultivo.