Orientador: Milton Mori / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:07:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bastos_JaciCarloSchrammCamara_M.pdf: 4360168 bytes, checksum: 100c57a7c93213cf37fcdab4ee05e24f (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: A presente pesquisa apresenta a modelagem matemática e a simulação de uma operação de fluidização rápida em um longo duto cilíndrico vertical, operação importante em vários processos industriais, sendo que sua principal aplicação está vinculada ao craqueamento catalítico do petróleo para a conversão em gasolina. Tem como objetivos a obtenção de uma compreensão contínua e o conhecimento do desenvolvimento do escoamento gás-sólido, bem como a soma de experiências às pesquisas em escala industrial motivados pela possível predição do desempenho deste tipo de escoamento. O modelo tridimensional, turbulento e bifásico usado para a predição do escoamento gás-sólido, consiste num conjunto de equações de conservação da massa e momento para cada uma das fases, formuladas seguindo a aproximação Euleriana-Euleriana. As variáveis fluidodinâmicas foram estimadas pela solução do modelo, com o emprego de correlações empíricas da literatura e disponibilizadas pelo código computacional de CFD, para garantir o fechamento do modelo e sua solução numérica. Desde de que a predição da dinâmica do escoamento complexo, em dutos com alto fluxo ascendente de sólidos não é possível por meio somente de equações fundamentais, a maioria dos modelos requerem entradas empíricas, as quais somente são adquiridas com a experimentação. Estes dados foram obtidos dos estudos de PÄRSSINEN e ZHU (2001). A geometria e a malha numérica estrutural do duto vertical foram geradas pelo software (CAD) ICEM, subdividido em DDN (geometria) e Hexa (malha). A adaptação do modelo matemático para a geração do modelo numérico foi alcançada com o uso do simulador comercial CFX 5.7. Os resultados obtidos foram avaliados com respeito à teoria apresentada ao longo da dissertação, sendo finalmente feita uma comparação entre as predições numéricas com o modelo e dados experimentais da literatura / Abstract: The present research presents the mathematical modeling and the simulation of an operation of fast fluidization in a long vertical cylindrical duct line, which is an important operation in many industrial processes, where its main application is tied with the catalytic cracking of oil for gasoline synthesis. It has as objective the attainment of a continuous understanding and knowledge of the development of the gas-solid flow, as well as adding of experiences to research of industrial scale equipments motivated by the possibility of prediction of the performance of this type of flow. The three-dimensional, turbulent and two-phase model used for the prediction of the gas-solid flow, consists of a set of conservation equations of mass and momentum for each phase, which was formulated following the Eulerian-Eulerian approach. The fluid dynamics variables was estimated by the solution of the model with the use of correlations found in the literature and available in the computational CFD code, in order to guarantee the closure of the model and its numerical solution. Since the prediction of the dynamics of the complex flow in ducts with high ascending solid flow is not possible by solely using the basic equations, the majority of the models require the setting empirical, parameters which are acquired only with experimentation. These data were obtained from the studies of PÄRSSINEN and ZHU (2001). The geometry and the structural numerical mesh of the vertical duct was generated by the software (CAD) ICEM, subdivided in DDN (geometry) and Hexa (meshing). The adaptation of the mathematical model for the numerical model generation was reached with the use of the commercial simulator CFX 5.7. The results were evaluated with respect to the theory presented along this dissertation, where comparisons between the numerical predictions with the model and experimental data from the literature were performed. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

Este trabalho objetivou investigar o processo de revestimento/aglomeração de extratos vegetais em leito fluidizado com atomização top spray, visando melhorar a estabilidade dos compostos bioativos dos extratos e suas propriedades farmacotécnicas. Açúcar cristal, pellets de açúcar e de celulose microcristalina, grânulos de celulose microcristalina, grânulos de arroz e farinha de mandioca foram utilizados como partículas sementes. Inicialmente, avaliou-se a influência do tamanho das partículas e diferentes composições de alimentação contendo extrato vegetal de Rosmarinus officinalis (alecrim). Farinha de mandioca e pellets de açúcar de diferentes granulometrias foram empregados como partículas semente. O desempenho do processo foi avaliado através da eficiência de revestimento e porcentagem de aglomeração. Os grânulos formados foram caracterizados quanto ao tamanho, fluidez e retenção de compostos bioativos (polifenóis). As formulações estudadas também foram submetidas à secagem em spray dryer para comparação entre os produtos obtidos. Os resultados obtidos mostraram que a eficiência de revestimento/aglomeração e a porcentagem de aglomeração dependem das propriedades físico-químicas das partículas sementes e das composições alimentadas. As viscosidades das formulações contendo o extrato vegetal e suas interações com as partículas iniciais influenciaram significativamente o processo. Os grânulos formados em leito fluidizado apresentaram ótima fluidez e maior retenção de polifenóis que os produtos obtidos por spray drying. Pellets de celulose microcristalina de diferentes granulometrias foram utilizados como partículas semente para investigar a dinâmica do sistema durante a encapsulação/aglomeração em leito fluidizado, por meio de análises de sinais de flutuação de pressão associados à cinética de crescimento dos grânulos e ao desempenho do processo. Dois modos operacionais foram avaliados: o modo intermitente (com interrupção da atomização da composição de alimentação em um período específico para redução do teor de umidade no sistema) e o modo contínuo (sem interrupção da atomização de alimentação). O aumento na porcentagem de aglomeração, até certo valor durante o processo, ocasionou aumento no desvio padrão nos sinais da amplitude da flutuação de pressão enquanto o sistema permaneceu estável, indicando poucas mudanças no padrão de circulação de sólidos. Este comportamento ocorreu até que a porcentagem de aglomeração atingiu um valor capaz de ocasionar instabilidades no sistema e, assim, o aumento adicional na percentagem de aglomeração acarretou o colapso do sistema. Neste momento, o desvio padrão da amplitude da flutuação de pressão tende a diminuir, sendo este comportamento mais evidente no modo operacional contínuo e com partículas semente de menor granulometria. Mudanças no desvio padrão da amplitude dos sinais da flutuação de pressão evidenciam que este método é capaz de detectar alterações na dinâmica do sistema e pode ser uma ferramenta útil para o controle e monitoramento do processo. Ensaios para avaliação da influência de diferentes variáveis operacionais, vazão de atomização e velocidade do ar de fluidização, no desempenho do processo foram realizados em modo operacional intermitente utilizando pellets de celulose microcristalina como partículas sementes. As condições operacionais mais adequadas, com maior eficiência de revestimento e menor porcentagem de aglomeração, foram selecionadas para avaliação de duas composições de alimentação contendo extrato vegetal com diferentes agentes de encapsulação, goma Arábica e concentrado proteico de soro de leite, associados à maltodextrina, ácido esteárico e Poloxamer 407. O desempenho dos processos foi avaliado através da eficiência de revestimento e porcentagem de aglomeração e os produtos quanto à fluidez e teor de compostos bioativos do alecrim: ácido cafeico, ácido rosmarínico, carnosol e ácido carnósico, determinados por HPLC-DAD. As duas formulações mostraram-se adequadas quanto ao desempenho do processo, eficiência de revestimento maior que 70% e à retenção de compostos bioativos, eficiência de encapsulação maior que 60%. Os grânulos foram submetidos testes de estabilidade acelerada e de longa duração. Os compostos bioativos sofreram degradação durante os testes com perda total de carnosol e ácido carnósico nos grânulos obtidos com as duas formulações diferentes. Também foi realizado teste de digestão gastrointestinal in vitro com os dois produtos diferentes. As concentrações de ácidos cafeico e rosmarínico não sofreram alterações significativas no decorrer do processo, tanto na simulação das condições gástricas quanto intestinais. O carnosol e o ácido carnósico sofreram perda total ao final da fase intestinal nos dois tipos de grânulos. Os grânulos com diferentes agentes encapsulantes, foram revestidos com Opadry® II visando proporcionar maior estabilidade contra degradação dos compostos bioativos. Ocorreu maior proteção do carnosol nos grânulos contendo goma Arábica submetidos ao teste de estabilidade de longa duração, a 30 °C e 75 % UR, porém esta proteção não foi efetiva para nenhum dos grânulos submetidos ao teste de estabilidade acelerada a 40 °C. Este estudo demonstrou a viabilidade do processo de encapsulação de extratos vegetais em leito fluidizado como um método promissor para produção de composições fitoterápicas com propriedades farmacotécnicas e físico-químicas adequadas. / This work aimed to investigate coating/agglomeration process of herbal extracts in fluidized bed with top spray atomization in order to improve stability of bioactive compounds and their pharmacotechnical properties. Crystal sugar granules, sugar and microcrystalline cellulose pellets, microcrystalline cellulose, cassava flour and rice granules, were used as seed particles. First, coating/agglomeration processes with cassava flour and sugar pellets as seed particles and feed compositions loaded with herbal extract of Rosmarinus officinalis (rosemary) were investigated. Fluidized bed performance was evaluated based on coating efficiency and agglomeration percentage. Products were characterized by determining the particle sizes, flow properties and retention of bioactive compounds (polyphenols). Herbal compositions were also spray dried to compare the product generated by both processes. Results showed that coating efficiency and percentage of agglomeration depend on seed particles and feed compositions physicochemical properties. The viscosity of the feed formulations and the interaction with seed particles influenced process performance. Fluidized bed granules exhibited higher efficiency of coating/agglomeration, higher retention of bioactive compounds and better flow properties than the powder obtained by spray drying. Microcrystalline cellulose pellets of different sizes were used as seed particles to investigate system dynamic during fluidized bed encapsulation/agglomeration by analysis of pressure fluctuation signals associated with growth kinetics and process performance. Two distinct operating modes were investigated: intermittent (interrupting the composition atomization for a specific period of time in order to reduce the system humidity) and continuous (without interruption of feed atomization). The increase in the agglomeration percentage to a certain value during the processes caused an increase in the standard deviation of the amplitude of the pressure fluctuations signals while the system remained stable, indicative of slight change on solids circulation patterns. However, the standard deviation of the amplitude of the pressure fluctuations signals tended to decrease when agglomeration percentage reached a value able to affect significantly the system stability, in which agglomerates growth tended to cause the system collapse. This behavior was most evident for small size seed particles and continuous operating mode. The changes in the standard deviation of the amplitude of pressure fluctuation signals showed strong evidence that this method would be able to detect changes in system dynamics and can be a useful tool for process control and system monitoring. Different operational variables, feed flow rate and fluidizing air flow rate, were used to analyze fluidized bed performance using intermittent mode and microcrystalline cellulose pellets as seed particles. Operating conditions that promoted higher coating efficiency and lower percentage of agglomeration were selected to be used in processes to evaluated different feed compositions loaded with herbal extract and encapsulating agents of two types, Arabic gum and whey protein, associated with stearic acid and poloxamer 407. Process performance was evaluated by coating efficiency and percentage of agglomeration. Products were evaluated by flow properties and the retention of bioactive compounds: cafeic acid, rosmarinic acid, carnosol and carnosic acid, determined by HPLC-DAD. Both compositions presented high coating efficiency and retention of bioactive compounds. Products were submitted to accelerated and long-term stability tests. Bioactive compounds of all granules suffered degradation during the tests with total loss of carnosol and carnosic acid. In vitro gastrointestinal digestion assays were carried out with the two types of products obtained. The concentrations of caffeic and rosmarinic acids did not change significantly during the digestion process, both in the simulation of gastric as intestinal conditions. The carnosol and carnosic acid have undergone total loss at the end of the intestinal phase in both types of products. The two types of granules with different encapsulating agents, were coated with Opadry® II aiming to provide greater stability against degradation of bioactive compounds. Higher protection of carnosol occurred in the granules containing gum Arabic subjected to long term stability test at 30 ° C, 75% RH, but this protection was not effective for any of the granules subjected to accelerated stability testing at 40 °C. The results provide strong evidence of the feasibility of the fluidised bed as a promising method for production of encapsulated phytopharmaceutical compositions with adequate pharmacotechnical and physicochemical properties.

Submitted by Mariana Dornelles Vargas (marianadv) on 2015-03-18T17:25:29Z No. of bitstreams: 1 estudo_desempenho.pdf: 1623749 bytes, checksum: c6a573b2417303fb9a9df23a0c7e03a2 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-18T17:25:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 estudo_desempenho.pdf: 1623749 bytes, checksum: c6a573b2417303fb9a9df23a0c7e03a2 (MD5) Previous issue date: 2012 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A queima de combustíveis sólidos em leito fluidizado é uma das tecnologias mais avançadas utilizadas em usinas de conversão de energia térmica. Atualmente, há uma crescente busca por um melhor entendimento dos processos hidrodinâmicos de fluidização e por modelos matemáticos capazes de prever com eficácia tais fenômenos. Neste trabalho, uma ferramenta de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), o código aberto MFIX (Multiphase Flow with Interphase Exchanges) é empregado na simulação numérica de escoamentos multifásicos em um leito fluidizado borbulhante (LFB). Na modelagem matemática do problema, emprega-se a abordagem Euleriana, ou seja, as fases gás e sólido particulado são consideradas como meios contínuos interpenetrantes. As equações de conservação de massa e quantidade de movimento são resolvidas para cada fase, e o acoplamento entre as fases é feito pelo termo de transferência de quantidade de movimento entre as fases, a qual se dá pelo arrasto sólido-gás. Este último pode ser modelado por correlações teóricas ou empíricas, dentre as quais se destacam as correlações de Gidaspow, Hill-Koch-Ladd (HKL), Syamlal e O'Brien e Arastoopour. No presente trabalho é avaliado o desempenho dessas correlações na simulação numérica de um leito fluidizado borbulhante com jato central de gás. Os resultados gerados utilizando os diferentes modelos são comparados com resultados experimentais disponíveis na literatura. O modelo de Syamlal e O'Brien requer menor tempo de processamento e apresenta independência de malha mesmo para malhas pouco refinadas, porém prevê bolhas muito menores do que as observadas experimentalmente. Os modelos de Gidaspow e HKL apresentam resultados com boa concordância com resultados experimentais, principalmente no que diz respeito ao formato das bolhas. Estes modelos requerem alto tempo de processamento e malhas bastante refinadas para apresentarem resultados independentes da discretização. Para o modelo de Arastoopour são apresentados resultados preliminares, os quais diferem bastante dos demais modelos e necessitam um estudo mais aprofundado. / The burning of solids fuels in fluidized bed is one of the most advanced technologies used thermal energy power plants. Currently, there is a growing interest for a better understanding of the hydrodynamic processes of fluidization and mathematical models able to predict such phenomena effectively. In this work, Computational Fluid Dynamics (CFD) tool, the open source code MFIX (Multiphase Flow With Interphase Exchanges) is used in the numerical simulation of multiphase flows in a bubbling fluidized bed. In the mathematical modeling of the problem, the Eulerian approach is employed, i.e. the particulate solid and gas phases are considered to be interpenetrating continua. The equations of mass and momentum are solved for each phase, and the coupling between phases is achieved via a momentum transfer term, which is caused by gas-solid drag. The latter can be modeled by theoretical or empirical correlations, among which stand out the correlations of Gidaspow, Hill-Koch-Ladd (HKL), Syamlal and O’Brien and Arastoopour. In the present work the performance of these correlations in the numerical simulation of a bubbling fluidized bed with a central jet of gas is studied. The results produced using different correlations are compared to experimental results available in the literature. The model of Syamlal and O’Brien requires less processing time and presents mesh independent results even for coarse meshes, but predicts much smaller bubbles than those observed experimentally. The models of HKL and of Gidaspow give results which show good agreement with experimental results, especially with regard to the shape of bubbles. These models require high processing time and very refined meshes to produce results independent of the discretization. For the Arastoopour model, preliminary results are presented, which differ greatly from other models and require further study

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2019-03-13T13:12:10Z No. of bitstreams: 1 Dionisson de Andrade Michelotto_.pdf: 2807252 bytes, checksum: 019edcb4e2819bea433fa3dde1057c15 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-13T13:12:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dionisson de Andrade Michelotto_.pdf: 2807252 bytes, checksum: 019edcb4e2819bea433fa3dde1057c15 (MD5) Previous issue date: 2018-10-26 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O impacto ambiental ocasionado pela combustão do carvão mineral em máquinas térmicas estimula buscas de alternativas sustentáveis. Uma das alternativas pode ser a substituição do carvão pela biomassa em reatores de leito fluidizado. A velocidade mínima de fluidização das partículas é um parâmetro fluidodinâmico que influencia fortemente o comportamento em projetos de reatores de leito fluidizado. A maioria das pesquisas utiliza como um dos principais parâmetros em suas correlações a esfericidade. Outros estudos afirmam que a razão de aspecto influencia bastante a velocidade mínima de fluidização. Utilizando um reator de leito fluidizado com distribuidor de placa perfurada, partículas de bambu cilíndricas com razões de aspecto de 2, 4 e 6, pertencente ao grupo D da classificação Geldart, foram fluidizadas. Nos resultados experimentais foi possível observar que a razão de aspecto influência na velocidade mínima de fluidização, quanto maior a razão de aspecto, maior a velocidade. Os resultados foram comparados com outros autores, onde cinco ficaram suficientemente próximos dentro de uma variação de 20% dos valores obtidos nos experimentos. Como a fluidização se comportava tipo jorro, foi comparado com correlações de jorro, onde uma única correlação ficou com variação em torno de 20% dos valores obtidos nos experimentos, enquanto as outras correlações ficaram com diferenças maiores. Uma nova correlação foi proposta modificando-se a equação de Ergun através da substituição da esfericidade pela razão de aspecto e ajustando seus coeficientes. Nesta nova correlação os valores da velocidade mínima de fluidização calculados ficaram próximos aos resultados experimentais dentro de uma variação de 15%. / The environmental impact caused by the combustion of mineral coal in thermal plants stimulates researches for sustainable alternatives. One of the alternatives may be the replacement of coal by biomass in fluidized bed reactors. The particle minimum fluidization velocity is a fluid dynamics parameter that strongly influences the behavior in fluidized bed reactor designs. Most academic papers use the sphericity as one of the main parameters in their correlations. Other studies state that the aspect ratio greatly influences the minimum fluidization velocity. Using a fluidized bed reactor with perforated plate distributor, cylindrical bamboo particles with aspect ratios of 2, 4 and 6, belonging to group D of the Geldart classification, were fluidized. In the experimental results it was possible to observe that the aspect ratio influences the minimum fluidization velocity. The results were compared with other authors, where five were sufficiently close within a variation of 20% of the values obtained in the experiments. As fluidization behaved like a spout, it was compared with spout correlations, where a single correlation achieved differences below 20% than the values obtained in the experiments, while the other correlations obtained larger differences. A new correlation was proposed based in the Ergun equation replacing sphericity by the aspect ratio and adjusting its coefficients. In this new correlation the calculated minimum fluidization velocity values were close to the experimental results within a range of 15%.

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Este trabalho teve como objetivo geral a caracterização de um sistema de tratamento biológico de remoção de fenol em reator anaeróbio de leito fluidificado utilizando o nitrato como aceptor final de elétrons. O reator foi construído em acrílico transparente, com dimensões equivalentes a 190 cm de altura e 5,3 cm de diâmetro interno, totalizando um volume de 4192 cm³, dos quais cerca de 44% (1831 cm³) foram ocupados pelo meio suporte, na situação de leito fixo. Para imobilização da biomassa foram utilizadas partículas de poliestireno, que foram previamente ativadas através de ataque ácido, com o intuito de aumentar a rugosidade e a porosidade da superfície do material, facilitando a aderência da biomassa ao meio suporte. O reator foi inoculado com lodo proveniente de reator UASB, responsável pelo tratamento de despejos de suinocultura. A realização do experimento foi dividida em cinco fases, que foram alteradas de acordo com o desempenho e a estabilidade do sistema diante do aumento das concentrações de fenol e nitrato. As concentrações médias de fenol afluente estudadas foram de 52, 107, 201, 335 e 518 mg/L, de maneira que não foi detectada presença de fenol no efluente para concentrações de até 335 mg/L. A eficiência de remoção reduziu-se para aproximadamente 70%, quando foi operado com concentrações de fenol afluente superiores a 500 mg/L. A relação entre carbono (proveniente exclusivamente do fenol) e N - \'NO IND. 3\' foi aproximadamente 1, portanto, as concentrações médias afluentes de N - \'NO IND. 3\' testadas foram equivalentes a 45, 79, 157, 260 e 362 mg/L, cujas eficiências de remoção de nitrogênio foram de 94%, 89%, 86%, 79% e 51%, respectivamente. O pH efluente variou entre 7,64 e 8,35, estando de acordo com sistemas que realizam o processo de desnitrificação. Em geral, cerca de 3,8 g DQO foi consumido por grama de N - \'NO IND. 3\' removido. Não foi observado acúmulo de nitrito no sistema, considerando que o valor médio da concentração efluente foi de 1,5 mg/L de N - \'NO IND. 2\' para todo período de operação. O experimento teve duração de 162 dias, nos quais o sistema mostrou resultados satisfatórios para redução de carbono e nitrogênio, mesmo quando operado com elevadas concentrações de fenol e nitrato. / This work aimed the general characterization of a phenol removal biological treatment system in an anaerobic fluidized bed reactor using nitrate as the final electron acceptor. The reactor was built in transparent acrylic, with equivalent dimensions of 190 cm height and 5.3 cm intern diameter, resulting in 4,192 cm³ volume, which 44% were occupied by the support medium in a fix bed situation. Polystyrene particles were used to immobilize biomass, these particles were previously activated through acid attack, in order to increase materials roughness and superficial porosity, facilitating biomass adherence to the support medium. The reactor was inoculated with sludge from UASB reactor, responsible for swine culture effluent treatment. The experiment was divided in five phases, which were modified according to system performance and stability under the increase of phenol and nitrate concentrations. The mean phenol affluent concentrations studied were: 52, 107, 201, 335 and 518 mg/L, so that no phenol was detected in effluent in concentrations bellow 335 mg/L. The removal efficiency decreased to about 70% for affluent phenol concentrations over 500 mg/L. Carbon (exclusively from phenol) and N -\'NO IND. 3\' ratio was nearly 1, therefore the N \'NO IND. 3\' mean affluent concentrations tested were equivalent to 45, 79, 157, 260 e 362 mg/L, whose nitrogen removal efficiency were 94%, 89%, 86%, 79% e 51%, respectively. Effluent pH varied between 7.64 and 8.35, in agreement with denitrification process systems. In general, around 3.8 g DQO were consumed per gram of removed N \'NO IND. 3\'. No nitrite accumulation was observed in the system, considering that the mean effluent concentration was 1.5 mg/L de N - \'NO IND. 2\' to all operation period. Experiment lasted 162 days, during this time the system showed satisfactory results for carbon and nitrogen reduction, even when operated with high phenol and nitrate concentrations.

Importantes produtos úteis à sociedade podem ser obtidos a partir do bagaço de cana-deaçúcar, como por exemplo, o etanol de segunda geração. Para a produção deste álcool, reforçam-se estudos visando alternativas de processos diferenciados, como por exemplo, utilizando células imobilizadas em biorreatores. O presente trabalho teve como objetivos o estudo de condições de imobilização da levedura Scheffersomyces shehatae UFMG-HM 52.2, encapsulada em gel de alginato de cálcio, e a avaliação de condições de produção de etanol a partir de hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana-de-açúcar, com as células imobilizadas em processos operados em reator de leito fluidizado. Inicialmente, o bagaço de cana-de-açúcar foi submetido à hidrólise ácida seguida de concentração e destoxificação do hidrolisado hemicelulósico. Em ensaios fermentativos em frascos Erlenmeyer, com a nova e promissora levedura fermentadora de pentoses, Scheffersomyces shehatae UFMGHM 52.2 na forma livre, testou-se diferentes meios nutricionais para a seleção dos nutrientes importantes na suplementação do hidrolisado hemicelulósico. Após análise, escolheu-se o meio composto por 5 g/l de sulfato de amônio, 3 g/l de extrato de levedura e 3 g/l de extrato de malte para as fermentações subsequentes. Utilizando-se este meio, observou-se valores de fator de rendimento (YP/S) e produtividade volumétrica em etanol (QP) de 0,38 g/g e 0,19 g/l.h, respectivamente. Em uma primeira etapa, determinou-se as condições de imobilização celular da levedura por encapsulamento em gel de alginato de cálcio, utilizando um planejamento experimental 23 completo com três pontos centrais. Avaliou-se a influência da concentração de alginato de sódio, de cloreto de cálcio e tempo de cura, tendo como variáveis resposta YP/S e QP. Pela análise estatística e fermentativa, definiu-se o uso da concentração de 1% de alginato de sódio, 0,2 M de cloreto de cálcio e 12 h de tempo de cura para o processo de imobilização celular. Nesta condição, observou-se valores de YP/S e QP de 0,32 g/g e 0,14 g/l.h, respectivamente. Posteriormente, conduziuse fermentações utilizando células imobilizadas em modo de bateladas repetidas em frascos Erlenmeyer, verificando-se a estabilidade na produção de etanol em cinco ciclos fermentativos consecutivos. Em uma segunda etapa, avaliou-se as condições de produção de etanol utilizando células imobilizadas em reator de leito fluidizado, por meio de planejamento experimental 22 completo com três pontos centrais. Avaliou-se a influência da vazão de aeração e massa de suporte com células imobilizadas, tendo como variáveis resposta YP/S e QP. A partir da análise estatística e fermentativa, verificou-se como melhores condições para o processo, o uso de 200 g de suporte e 200 ml/min de vazão de aeração. Nestas condições, observou-se valores de YP/S e QP de 0,26 g/g e 0,17 g/l.h, respectivamente. Sob estas condições de processo, realizou-se também fermentações em modo de bateladas repetidas, verificando-se a estabilidade do sistema operacional de produção de etanol em sete ciclos fermentativos consecutivos. Por estes resultados, concluiu-se que esse processo fermentativo com células imobilizadas em reator de leito fluidizado apresenta destacada potencialidade, podendo servir como conhecimentos para estudos futuros visando a sua implementação em maiores escalas. / Important useful products to society can be obtained from sugarcane bagasse, e.g. secondgeneration ethanol. For the production of this alcohol, studies are focused on alternatives for different processes, e.g., using immobilized cells in bioreactors. This work had as objectives the study of immobilization conditions on the yeast Scheffersomyces shehatae UFMG-HM 52.2, encapsulated in gel of calcium alginate, and evaluating the conditions of ethanol production from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate, with the immobilized cells in the process carried out in a fluidized bed reactor. Initially, the sugarcane bagasse was subject to acid hydrolysis followed by concentration and detoxification of hemicellulosic hydrolysate. In fermentation tests in Erlenmeyer flasks, with the novel and promising pentose fermenting yeast, Scheffersomyces shehatae UFMGHM 52.2 in free form, different nutritional media were tested for the selection of important nutrients in the supplementation of hemicellulosic hydrolysate. After the analysis, the medium composed of 5 g/l of ammonium sulfate, 3 g/l of yeast extract and 3 g/l of malt extract was chosen for subsequent fermentations. By using this medium, it was observed values of etanol yield (YP/S) and volumetric productivity (QP) of 0.38 g/g and 0.19 g/l.h, respectively. In a first step, it was determined the yeast cells immobilization conditions by encapsulation in calcium alginate gel using a 23 full factorial design with three central points. The influence of the concentration of sodium alginate, calcium chloride and conditioning time was evaluated, with the response variables YP/S and QP. By statistical and fermentative analysis, it was chosen the concentrations of 1% for sodium alginate, 0.2 M for calcium chloride and 12 h for conditioning time in the immobilization process. In this condition, it was observed values of YP/S and QP of 0.32 g/g and 0.14 g/l.h, respectively. Thus, fermentations were performed applying immobilized cells in Erlenmeyer flasks in repeated batch, where the stability of ethanol production in five consecutive cycles was verified. In a second step, the conditions of ethanol production using immobilized cells in fluidized bed reactor were evaluated, by using a 22 full factorial design with three central points. In this investigation, the influence of aeration rate and mass of suport with immobilized cells was tested, and the response variable were YP/S and QP. By statistical and fermentative analysis, it was found that the best conditions for the process included the use of 200 g of support with immobilized cells and 200 ml/min for aeration rate. Under these conditions, it was observed values of YP/S and QP of 0.26 g/g and 0.17 g/l.h, respectively. Also, under the same conditions, repeated batch fermentations were carried out, where it was verified that ethanol production system stability in seven consecutive fermentation cycles. For these results, it was concluded that this fermentation with immobilized cells in fluidized bed reactor offers outstanding potential and could be used as basis for future studies aiming its implementation in large scales.

Remoções quase totais de clorofenóis, por processos anaeróbios, já foram atingidas mediante elevada concentração de matéria orgânica e um número considerável de fontes de carbono. Porém, é necessário que se investigue o desempenho dos reatores submetidos a condições menos idealizadas. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para avaliar um reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF) como etapa de pré-tratamento de substrato sintético contendo pentaclorofenol (PCP). Para isso, foram adotadas as seguintes condições experimentais: fonte única de carbono; concentração reduzida de matéria orgânica; biomassa não previamente adaptada, e menores tempos de detenção hidráulica. Para cumprir o objetivo citado, foram desenvolvidos dois reatores, com 2,2 e 16 litros, respectivamente, e foram realizadas etapas de avaliação de materiais suporte, estudo de diversas interações (partícula/fluido, partículas fluido, biopartícula/fluido e biopartículas/fluido), e análise do desempenho do RALF sem PCP e com PCP. Os materiais suporte escolhidos foram a alumina, o basalto e o carvão ativado granular, todos com diâmetros próximos a 3 mm. Eles foram avaliados em ensaios de caracterização física, de microscopia eletrônica de varredura, de fluidodinâmica e de análise de imagens. O carvão apresentou os melhores resultados e foi escolhido para a continuidade do trabalho. As interações foram analisadas através de ensaios fluidodinâmicos, isotermas de adsorção, dentre outros. Nas condições experimentais utilizadas, a biomassa aumentou a densidade da partícula, fato que foi comprovado pelos ensaios para determinação da velocidade mínima de fluidificação, de expansão e porosidade do leito, e também de velocidade terminal da partícula isolada. As isotermas de adsorção demonstraram que a presença de matéria orgânica diminuiu em 9% a adsorção do PCP. O RALF apresentou um comportamento satisfatório no período de operação sem PCP. Nos 105 dias de operação, a eficiência média de remoção de DQO ficou quase sempre superior a 90%, e os outros parâmetros de monitoramento de desempenho apresentaram valores típicos, indicando estabilidade no processo. A presença de PCP no sistema, nas concentrações utilizadas, não alterou a qualidade da biomassa presente, e nem os parâmetros de monitoramento de desempenho, como DQO, alcalinidade, pH e ácidos voláteis. Mesmo sob condições menos idealizadas, foi observado um desempenho satisfatório do reator na remoção do PCP. Em concentrações variando de 1 a 6 mg/L, foram observadas eficiências médias de remoção de 93% e 70%, respectivamente, para os 80 dias de operação nessas condições. Diante dos resultados obtidos, foi possível concluir que a remoção de PCP em um RALF pode ser atingida mediante condições operacionais mais simples. / The almost total removal of chlorophenols by anaerobic processes has been achieved under high concentrations of organic matter and a considerably large number of carbon sources. However, it is necessary to investigate the performance of such reactors under less idealized conditions. The present work shows the development of a new methodology for evaluating the use of an anaerobic fluidized bed reactor (AFBR) in the pretreatment step of a synthetic substrate containing pentachlorophenol (PCP). In order to do that, the following experimental conditions were used: a single source of carbon; reduced concentrations of organic matter; non-previously adapted biomass, and smaller hydraulic retention times. To achieve the main objective, two reactors, one having a volume of 2.2 L and the other one, 16 L, were especially designed; evaluation steps of support material and the study of several interactions (particle/fluid, particles/fluid, bioparticle/fluid, bioparticles/fluid) were carried out, and the performance of the AFBR with and without PCP was analyzed. The three support materials employed were alumina, basalt and granular activated carbon, all having average diameters of 3 mm. These materials were evaluated through physical characterization methods, microscopy, hydrodynamic and image analyses. The activated coal showed the best results and was exclusively employed in the remainder of the work. The interactions were analyzed by hydrodynamics and adsorption isotherms, to name but a few. Under the experimental conditions employed, the biomass made the particle density increase, a fact that was verified in the determination of the minimum fluidization velocity, the bed porosity and expansion as well as the terminal velocity of isolated particles. The adsorption isotherms showed a decrease of 9% in PCP absorption due to the existence of organic matter. The AFBR showed satisfactory results during the operation without PCP. In the 105 days of operation, the average efficiency of COD removal remained almost always over 90%, while the other performance monitoring parameters remained at typical values, indicating the process stability. The presence of PCP under the concentrations used in the system did not seem to affect neither the quality of the biomass nor the performance monitoring parameters, like COD, alkalinity, pH and volatile acids. Even under less idealized conditions, the reactor showed good performance in removing PCP. The average efficiencies of removal attained around 93% and 70% for concentrations of 1 to 6 mg/L respectively. These concentration levels were kept during 80 days. In view of the results obtained, it is possible to conclude that reasonably good efficiency of PCP removal in AFBR can be attained under simpler operational conditions.

A matéria orgânica presente nas águas residuárias representa uma matéria prima barata para integrar o processo de digestão anaeróbia e gerar fontes de energia alternativas, como o hidrogênio. O hidrogênio pode substituir os combustíveis fósseis não renováveis e diminuir as emissões de gases do efeito estufa responsável por grande parte da mudança climática global. A combustão do hidrogênio com o oxigênio produz somente vapor d\'água e representa 2,75 vezes mais conteúdo de energia que qualquer hidrocarboneto. Além disso, os ácidos orgânicos gerados no processo podem ser utilizados como fonte de carbono para a produção de metano, hidrogênio por organismos fototróficos e biopolímeros e, para a remoção de nutrientes biológicos. A produção de hidrogênio tem sido estudada em reatores de crescimento suspenso e de crescimento imobilizado como o reator anaeróbio de manta de lodo (UASB), reator anaeróbio de leito fixo e reator anaeróbio de leito fluidificado. O objetivo desse estudo foi avaliar a produção de hidrogênio e ácidos orgânicos em um reator anaeróbio de leito fluidificado contendo argila expandida como material suporte. O reator tinha 190 cm de altura, 5 cm de diâmetro interno e um volume de 4192 \'CM POT.3\'. O reator foi inoculado com lodo pré-tratado termicamente a 90°C por 10 minutos para o enriquecimento do inóculo acidogênico. O sistema foi operado com tempo de detenção hidráulica (TDH) de 8, 6, 4, 2 e 1 h e foi alimentado com água residuária sintética contendo 2000 mg/L de glicose. A operação contínua teve duração de 178 dias, e em cada TDH o reator foi operado durante, aproximadamente, 30 dias. A 30°C e pH de 3,8, cerca de 92 a 98% da glicose foi removida. A diminuição do TDH de 8 para 1 h conduziu a um aumento na velocidade média de produção de hidrogênio volumétrico de 0,28 para 1,15 L/h.L, respectivamente. A máxima velocidade de produção de hidrogênio, de 1,15 L/h.L, foi obtida em TDH de 1 h. Em geral, o rendimento de produção de hidrogênio aumentou com a diminuição do TDH, de 1,84 mols \'H IND.2\'/mol glicose em TDH de 8 h para 2,29 mols \'H IND.2\'/mol glicose em TDH de 2 h. O biogás não continha metano e o conteúdo máximo de hidrogênio foi de 37% em TDH de 2 h. Foi observada uma correlação linear entre a velocidade de produção de hidrogênio e a taxa de carregamento orgânico (TCO). Ainda, a TCO máxima de 104 kg/\'M POT.3\'.d não inibiu a produção de hidrogênio. Os maiores metabólitos solúveis foram o ácido butírico (44,64-52,52%) e o ácido acético (41,17-47,48%) com insignificante concentração de etanol (menor do que 10%). A produção de hidrogênio estável e a porcentagem de ácido butírico sobre o ácido acético indicam que o tratamento térmico do lodo foi efetivo e uma típica fermentação do tipo ácido butírico pode ser assegurada por Clostridium. Além disso, foram alcançados bons desempenhos de produção de hidrogênio sob condições de pH em torno de 4,0. / Organic materials in the wastewater can be an inexpensive raw material for integrating fermentation process and suppling renewable energy source such as hydrogen. Nevertheless hydrogen can replace fossil fuels and reduce greenhouse gases responsible for global climate change. The hydrogen combustion with oxygen produces only water vapor and hydrogen gas has 2.75 times the energy content of any hydrocarbons. Furthermore, the volatile fatty acids production can be used as carbon source for methane, photosynthetic hydrogen, bioplastics production and biological nutrients removal. The hydrogen production was carried out in suspend cell system, anaerobic sludge blanket reactor, fixed bed reactors and fluidized bed reactors. The objective of this study was to evaluate the hydrogen and volatile fatty acids production in an anaerobic fluidized bed reactor containing expanded clay like a material to immobilize acclimated anaerobic sludge. The reactor has presented 190 cm high, 5 cm in internal diameter and volume of 4192 \'CM POT.3\'. The reactor was seeded with a heat treated sludge at 90°C for 10 minutes for enriching \'H IND.2\' producing inoculum and supressing methanogens. The system was operated at hydraulic retention time (HRT) of 8, 6, 4, 2 and 1 h and was fed with syntetic wastewater containing 2.000 mg glucose/L. The continuous operation lasted 178 days, and in each TDH the reactor was operated for approximately 30 days. At 30°C and pH 3.8, about 92-98% of glucose was removed. The decrease of HRT from 8.0 to 1.0 led to a marked increase in the mean volumetric hydrogen production rate from 0.28 to 1.15 L/h.L, respectively. The maximum volumetric hydrogen production rate, 1.15 L/h.L, was obtained at HRT of 1.0 h. In general, the hydrogen yield increase from 1.84 mol \'H IND.2\'/mol glucose at HRT of 8.0 h to 2.29 mol \'H IND.2\'/mol glucose at HRT of 2.0 h. The biogas was free methane and the hydrogen content accounted for 37% at HRT of 2.0 h. There was a linear correlation between the hydrogen production rate and the organic loading rate (OLR) and the maximum OLR, 104 Kg/\'M POT.3\'.d, is not expected to inhibit hydrogen production. The major soluble products were butyric acid (44.64- 52.52%) and acetic acid (41.17-47.48%) further ethanol was relatively insignificant (less than 10%). The stable hydrogen production and the percentagen of butyric acid over acetic acid indicated the heat treated sludge was effective and a typical butyrate type fermentation was achieved by Clostridium. In addition, hydrogen production could be performed under pH conditions near 4.0.

Le procédé adopté par COMURHEX pour le traitement des effluents très chargés en fluor est basé sur l’addition d’un composé alcalin Ca(OH)2 (portlandite) pour faire précipiter de la fluorine (CaF2). Mis en œuvre par le passé dans un décanteur le développement d’un nouveau procédé en lit fluidisé a été envisagé pour augmenter l’efficacité du traitement des effluents. Des essais concluants ont été réalisés sur une installation pilote qui ont démontré l’efficacité de la précipitation en lit fluidisé à assurer une réduction satisfaisante de la concentration du fluor. Cependant, les phénomènes mis en jeu dans le réacteur sont mal connus.Notre objectif principal est la maîtrise de la précipitation de la fluorine dans le réacteur à lit fluidisé ainsi qu’une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu. Pour ce faire, il a été nécessaire de reprendre l’étude thermodynamique du système KOH-portlandite-calcite-fluorine, de manière à étendre les données existantes aux fortes concentrations de KOH en solution. Un modèle thermodynamique capable de prédire la solubilité des solides en présence de variations de la concentration de la potasse et de la température du système a été établi.La deuxième partie du travail a été focalisée sur la compréhension des mécanismes mis en jeu pendant la formation de la fluorine. Les expériences réalisées au laboratoire ont conduit à l’obtention d’une fluorine issue d’une conversion de la portlandite. Ce mécanisme a été modélisé en considérant que le remplacement de la portlandite par la fluorine s’explique par un modèle à cœur rétrécissant contrôlé par la limitation diffusionnelle du fluorure dans la couche de fluorine formée. La dernière partie expérimentale de ce travail a été réalisée sur le pilote à lit fluidisé. Les expériences effectuées n’ont pas donné de résultats satisfaisants. Il n’a pas été possible de faire faire fonctionner le pilote de façon cohérente avec les objectifs de son dimensionnement. En particulier, compte-tenu de la très petite taille des particules, les débits de fonctionnement conduisent à l’envolement de celles-ci, mais pas à l’établissement de l’état fluidisé. / The method used by COMURHEX for the treatment of fluorine-rich effluents relies on the addition of solid Ca(OH)2 (portlandite) to precipitate fluorite (CaF2) in strongly alkaline solutions. This method is effective in a settler, and the development of a new fluidized bed process has been proposed to increase its efficiency. Successful assays were conducted on a pilot scale and they demonstrated that precipitation in a fluidized bed reactor actually ensures a satisfactory defluorination. However, the phenomena involved remained poorly known, and the main goal of the present work was to elucidate the mechanisms, their kinetics, and to control the crystallization.Our first contribution is a thermodynamic reappraisal of the KOH–portlandite–calcite system that extends existing solubility data to higher KOH concentrations in solution and incorporates new solubility data for fluorite. The outcome is an aqueous speciation model (Pitzer type) accounting for the solids solubility as a function of the KOH concentration and the temperature, and allowing portlandite undersaturation and fluorine supersaturation to be evaluated in process solutions.Our second contribution focuses on the kinetics and the mechanisms involved during the formation of fluorite, using various mixing designs in batch reactors. Reaction rates are fast, except in experiments involving dilute reactants. Microprobe and granulometric data both indicate that much of the fluorine results from the conversion of the portlandite grains. A shrinking core model controlled by diffusive transfer of fluoride in the porous fluorite corona successfully fits the kinetics of fluorine uptake and the particle grain size.The last part of the experimental work was carried out on a small fluidized bed pilot. These experiments were poorly conclusive. The very small particle size and the large flow rates lead to particle blow off, but not to fluidization. As a consequence, the capacity of the fluidized bed to promote an increase of the particle grain size remains largely unknown.