Avaliação de parâmetros globais de desempenho de biorreatores pneumáticos através de fluidodinâmica computacional

• Main Author: Rodriguez, Guilherme Youssef
• Other Authors: Badino Júnior, Alberto Colli
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de São Carlos 2016
• Subjects: Biorreatores pneumáticos; CFD; Retenção gasosa; Pneumatic bioreactors; Global parameters; Gas hold up; Volumetric oxygen transfer coefficient; ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA
• Online Access: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/7814

Submitted by Alison Vanceto ([e-mail]) on 2016-10-10T12:43:24Z No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) === Approved for entry into archive by Ronildo Prado ([e-mail]) on 2016-10-11T20:34:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) === Approved for entry into archive by Ronildo Prado ([e-mail]) on 2016-10-11T20:35:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) === Made available in DSpace on 2016-10-11T20:42:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) Previous issue date: 2015-03-25 === Outra === Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) === Pneumatic bioreactors are devices free of moving parts which have the purpose of converting raw materials in bio-products of commercial interest by the action of enzymes or cells. They are promising in the biochemical industry, ensuring good oxygen transfer and consuming less energy. Global performance parameters such as global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient are important criteria in the design and selection among different geometries of the mentioned devices. In the present work it was carried out modeling and simulation of pneumatic bioreactors based on Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to estimate the global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient in three different geometries of pneumatic bioreactors: bubble column, concentric tube airlift and split tube airlift. The simulated results of each performance parameter were verified by comparison with the experimental values reported by Thomasi et al. (2010) and Mendes and Badino (2015) for the fluids distilled water, glycerol solution 10 cP and xanthan gum solution 0.2% w/v (weight/volume) in a wide range of specific air flow rate (0 to 5 min- 1). Application suite ANSYS® 14.5 was used for numerical simulations in CFD. Important parameters such as the bubble diameter played a great influence on results of the volumetric oxygen transfer coefficient. It can be observed by the experimental and simulated results that the concentric tube airlift bioreactor was the best alternative to the global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient (reaching 14% and 0.06 s-1 for distilled water, respectively). It was found that the results obtained via the CFD agreed with the majority trend of experimental data, capturing the most important hydrodynamic phenomena and mass transfer characteristics, showing that the modeling of different systems with different fluids fulfilled the main objective of obtaining reliable models design and performance of other geometries of pneumatic bioreactors. === Os biorreatores pneumáticos são equipamentos industriais isentos de partes móveis que têm a finalidade de converter matérias-primas em bioprodutos de interesse comercial pela ação de enzimas ou células. São promissores na indústria bioquímica, pois garantem boa transferência de oxigênio consumindo menos energia. Parâmetros globais de desempenho, como a retenção gasosa global e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio são critérios importantes no projeto e seleção entre geometrias diferentes dos equipamentos mencionados. No presente trabalho foi realizada a modelagem e a simulação de biorreatores pneumáticos baseada na Fluidodinâmica Computacional (CFD - Computational Fluid Dynamics) de forma a estimar a retenção gasosa global e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio em três geometrias distintas: coluna de bolhas, airlift de cilindros concêntricos e airlift split. Os resultados simulados de cada parâmetro de desempenho foram verificados comparando-se com os valores experimentais reportados nos trabalhos de Thomasi et al. (2010) e Mendes e Badino (2015) para os fluidos água destilada, solução de glicerol 10 cP e solução de goma xantana 0,2% m/v (massa/volume) e vazão de alimentação específica de ar numa ampla faixa (0 a 5 min-1). Foi empregada a suíte de aplicativos ANSYS® 14.5 para as simulações numéricas em CFD. Parâmetros importantes, como o diâmetro de bolha, exerceram grande influência nos resultados referentes ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio. Destaca-se, pelos resultados experimentais e simulados, que o biorreator pneumático do tipo airlift de cilindros concêntricos apresentou-se como a melhor alternativa para a retenção gasosa global e para o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (atingindo 14% e 0,06 s-1 para a água destilada, respectivamente). Verificou-se que os resultados obtidos via CFD concordaram com a tendência majoritária dos dados experimentais, capturando os fenômenos mais relevantes das características hidrodinâmicas e da transferência de massa, mostrando que a modelagem dos diferentes sistemas com diferentes fluidos atendeu ao principal objetivo de obter modelos confiáveis para o projeto e comparação de desempenho de outras geometrias de biorreatores pneumáticos. === CNPq: 478472/2011-0 === CNPq: 140466/2011-8