Sim, use tr
:
tr 'a' 'b' < file.txt > output.txt
sed
lida em linhas, portanto, uma linha enorme causará problemas. Espero que esteja declarando uma variável internamente para manter a linha e sua entrada exceda o tamanho máximo alocado para essa variável.
tr
lida com caracteres e deve ser capaz de manipular corretamente linhas longas arbitrariamente.