Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Em bioprocessos, cultivo em estado sólido (CES) pode ser definido como o cultivo envolvendo sólidos insolúveis na ausência, ou quase, de água livre. Desta forma, o CES se distingue dos cultivos submersos (CSm), nos quais os substratos e microrganismos encontram-se dissolvidos ou suspensos em grande quantidade de água. Muitos aspectos importantes de engenharia de processo ainda precisam ser desenvolvidos em CES, como a quantificação de biomassa, a cinética de reações e as transferências de massa e energia. Neste trabalho, estudou-se um processo de cultivo em estado sólido em biorreator de tambor agitado utilizando um resíduo industrial fibroso de soja (RIFS) como substrato para o crescimento da bactéria Bacillus circulans BL53. Inicialmente, foram realizados testes de mistura utilizando corantes alimentícios para avaliar a eficiência da homogeneização promovida pelas pás agitadoras. O teste utilizando corantes espelha-se em outros encontrados na literatura, porém o substrato aqui utilizado tem natureza pastosa, contra os de natureza particulada de outros trabalhos. Concluiu-se que a homogeneização é satisfatória. Foi realizada a estimação da biomassa no cultivo através da taxa de produção de CO2, analisado por cromatografia gasosa. Com o uso de um modelo de correlação, obteve-se bons resultados para as primeiras horas de cultivo, porém os erros de estimação tornaram-se muito grandes após 20 horas de cultivo. Este é um resultado comum também em outros trabalhos semelhantes encontrados, já que o erro da estimação é cumulativo, e o único parâmetro monitorado (produção de CO2) pode falhar na detecção de mudanças do metabolismo microbiano. Além disso, foi desenvolvido um modelo cinético, que relaciona as concentrações de biomassa, açúcares redutores totais e acetato, além da produção de CO2, no cultivo. O acetato é um produto metabólico com efeito bactericida. Por conseqüência deste efeito, houve queda na contagem de células viáveis após aproximadamente 15 horas de cultivo. No geral, houve boa correlação com dados experimentais, porém outros desenvolvimentos são necessários para aprimorar o modelo. A produção de CO2, por exemplo, não foi bem descrita pelo modelo. A inclusão de medições de consumo de oxigênio, uma estequiometria de reação definida e balanços de massa e energia podem trazer melhorias significativas às predições e à aplicabilidade do modelo. / Solid state cultivations (SSC) may be defined as the cultivation involving insoluble solids in the absence, or near absence, of free water. Therefore, SSC is distinguished from submerged cultivations (SmC), where substrates and microrganisms are dissolved or suspended in large quantities of water. Many important engineering aspects of SSC are still to be developed, like biomass quantification, reaction kinetics, mass and energy transfers. This work dealt with a solid state cultivation process carried out in an agitated drum bioreactor, using an industrial fibre soybean residue (IFSR) as substrate for the growth of the bacterium Bacillus circulans BL53. Mixing tests were carried out in order to evaluate the efficiency of the homogeneization promoted by the mixing paddles. Common food grade dyes were used in these experiments, similary to other works in the literature. However, the viscous nature of ISFR greatly differs from the particulates used in other works. Homogeneization was concluded to be satisfactory. Biomass was estimated through the CO2 production rate, which was determined by gas chromatography. Using a correlation model, good results were obtained for the first hours of the cultivation, but the estimation errors became too large after 20 hours. This is a common result also in other works, since the estimation error is cumulative, and the only monitored parameter (CO2 production) may fail the detection of metabolic changes of the microrga nism. A kinetic model of the process was also developed, relating biomass, total reducing sugars and acetate concentrations, in addition to CO2 production. Acetate is a metabolic product which has bactericidal effect. As a consequence, viable cell count dropped after approximately 15 hours cultivation. A general good correlation with experimental data was obtained, but the model may be further improved. For example, the model was unable to describe the CO2 production satisfactory. The inclusion of oxygen up take measurements, a defined reaction stoichiometry, together with mass and energy balances may significantly improve model predictions and applicability.

Em bioprocessos, cultivo em estado sólido (CES) pode ser definido como o cultivo envolvendo sólidos insolúveis na ausência, ou quase, de água livre. Desta forma, o CES se distingue dos cultivos submersos (CSm), nos quais os substratos e microrganismos encontram-se dissolvidos ou suspensos em grande quantidade de água. Muitos aspectos importantes de engenharia de processo ainda precisam ser desenvolvidos em CES, como a quantificação de biomassa, a cinética de reações e as transferências de massa e energia. Neste trabalho, estudou-se um processo de cultivo em estado sólido em biorreator de tambor agitado utilizando um resíduo industrial fibroso de soja (RIFS) como substrato para o crescimento da bactéria Bacillus circulans BL53. Inicialmente, foram realizados testes de mistura utilizando corantes alimentícios para avaliar a eficiência da homogeneização promovida pelas pás agitadoras. O teste utilizando corantes espelha-se em outros encontrados na literatura, porém o substrato aqui utilizado tem natureza pastosa, contra os de natureza particulada de outros trabalhos. Concluiu-se que a homogeneização é satisfatória. Foi realizada a estimação da biomassa no cultivo através da taxa de produção de CO2, analisado por cromatografia gasosa. Com o uso de um modelo de correlação, obteve-se bons resultados para as primeiras horas de cultivo, porém os erros de estimação tornaram-se muito grandes após 20 horas de cultivo. Este é um resultado comum também em outros trabalhos semelhantes encontrados, já que o erro da estimação é cumulativo, e o único parâmetro monitorado (produção de CO2) pode falhar na detecção de mudanças do metabolismo microbiano. Além disso, foi desenvolvido um modelo cinético, que relaciona as concentrações de biomassa, açúcares redutores totais e acetato, além da produção de CO2, no cultivo. O acetato é um produto metabólico com efeito bactericida. Por conseqüência deste efeito, houve queda na contagem de células viáveis após aproximadamente 15 horas de cultivo. No geral, houve boa correlação com dados experimentais, porém outros desenvolvimentos são necessários para aprimorar o modelo. A produção de CO2, por exemplo, não foi bem descrita pelo modelo. A inclusão de medições de consumo de oxigênio, uma estequiometria de reação definida e balanços de massa e energia podem trazer melhorias significativas às predições e à aplicabilidade do modelo. / Solid state cultivations (SSC) may be defined as the cultivation involving insoluble solids in the absence, or near absence, of free water. Therefore, SSC is distinguished from submerged cultivations (SmC), where substrates and microrganisms are dissolved or suspended in large quantities of water. Many important engineering aspects of SSC are still to be developed, like biomass quantification, reaction kinetics, mass and energy transfers. This work dealt with a solid state cultivation process carried out in an agitated drum bioreactor, using an industrial fibre soybean residue (IFSR) as substrate for the growth of the bacterium Bacillus circulans BL53. Mixing tests were carried out in order to evaluate the efficiency of the homogeneization promoted by the mixing paddles. Common food grade dyes were used in these experiments, similary to other works in the literature. However, the viscous nature of ISFR greatly differs from the particulates used in other works. Homogeneization was concluded to be satisfactory. Biomass was estimated through the CO2 production rate, which was determined by gas chromatography. Using a correlation model, good results were obtained for the first hours of the cultivation, but the estimation errors became too large after 20 hours. This is a common result also in other works, since the estimation error is cumulative, and the only monitored parameter (CO2 production) may fail the detection of metabolic changes of the microrga nism. A kinetic model of the process was also developed, relating biomass, total reducing sugars and acetate concentrations, in addition to CO2 production. Acetate is a metabolic product which has bactericidal effect. As a consequence, viable cell count dropped after approximately 15 hours cultivation. A general good correlation with experimental data was obtained, but the model may be further improved. For example, the model was unable to describe the CO2 production satisfactory. The inclusion of oxygen up take measurements, a defined reaction stoichiometry, together with mass and energy balances may significantly improve model predictions and applicability.

Em bioprocessos, cultivo em estado sólido (CES) pode ser definido como o cultivo envolvendo sólidos insolúveis na ausência, ou quase, de água livre. Desta forma, o CES se distingue dos cultivos submersos (CSm), nos quais os substratos e microrganismos encontram-se dissolvidos ou suspensos em grande quantidade de água. Muitos aspectos importantes de engenharia de processo ainda precisam ser desenvolvidos em CES, como a quantificação de biomassa, a cinética de reações e as transferências de massa e energia. Neste trabalho, estudou-se um processo de cultivo em estado sólido em biorreator de tambor agitado utilizando um resíduo industrial fibroso de soja (RIFS) como substrato para o crescimento da bactéria Bacillus circulans BL53. Inicialmente, foram realizados testes de mistura utilizando corantes alimentícios para avaliar a eficiência da homogeneização promovida pelas pás agitadoras. O teste utilizando corantes espelha-se em outros encontrados na literatura, porém o substrato aqui utilizado tem natureza pastosa, contra os de natureza particulada de outros trabalhos. Concluiu-se que a homogeneização é satisfatória. Foi realizada a estimação da biomassa no cultivo através da taxa de produção de CO2, analisado por cromatografia gasosa. Com o uso de um modelo de correlação, obteve-se bons resultados para as primeiras horas de cultivo, porém os erros de estimação tornaram-se muito grandes após 20 horas de cultivo. Este é um resultado comum também em outros trabalhos semelhantes encontrados, já que o erro da estimação é cumulativo, e o único parâmetro monitorado (produção de CO2) pode falhar na detecção de mudanças do metabolismo microbiano. Além disso, foi desenvolvido um modelo cinético, que relaciona as concentrações de biomassa, açúcares redutores totais e acetato, além da produção de CO2, no cultivo. O acetato é um produto metabólico com efeito bactericida. Por conseqüência deste efeito, houve queda na contagem de células viáveis após aproximadamente 15 horas de cultivo. No geral, houve boa correlação com dados experimentais, porém outros desenvolvimentos são necessários para aprimorar o modelo. A produção de CO2, por exemplo, não foi bem descrita pelo modelo. A inclusão de medições de consumo de oxigênio, uma estequiometria de reação definida e balanços de massa e energia podem trazer melhorias significativas às predições e à aplicabilidade do modelo. / Solid state cultivations (SSC) may be defined as the cultivation involving insoluble solids in the absence, or near absence, of free water. Therefore, SSC is distinguished from submerged cultivations (SmC), where substrates and microrganisms are dissolved or suspended in large quantities of water. Many important engineering aspects of SSC are still to be developed, like biomass quantification, reaction kinetics, mass and energy transfers. This work dealt with a solid state cultivation process carried out in an agitated drum bioreactor, using an industrial fibre soybean residue (IFSR) as substrate for the growth of the bacterium Bacillus circulans BL53. Mixing tests were carried out in order to evaluate the efficiency of the homogeneization promoted by the mixing paddles. Common food grade dyes were used in these experiments, similary to other works in the literature. However, the viscous nature of ISFR greatly differs from the particulates used in other works. Homogeneization was concluded to be satisfactory. Biomass was estimated through the CO2 production rate, which was determined by gas chromatography. Using a correlation model, good results were obtained for the first hours of the cultivation, but the estimation errors became too large after 20 hours. This is a common result also in other works, since the estimation error is cumulative, and the only monitored parameter (CO2 production) may fail the detection of metabolic changes of the microrga nism. A kinetic model of the process was also developed, relating biomass, total reducing sugars and acetate concentrations, in addition to CO2 production. Acetate is a metabolic product which has bactericidal effect. As a consequence, viable cell count dropped after approximately 15 hours cultivation. A general good correlation with experimental data was obtained, but the model may be further improved. For example, the model was unable to describe the CO2 production satisfactory. The inclusion of oxygen up take measurements, a defined reaction stoichiometry, together with mass and energy balances may significantly improve model predictions and applicability.

Orientador: Florencia Cecilia Menegalli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-07-23T17:42:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mauro_MariaAparecida_D.pdf: 7682609 bytes, checksum: 787bcd39c92d2a415c4177f2e3dcd5ae (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: Estudou-se o comportamento no equilíbrio e a cinética da desidratação por imersão de tecidos vegetais, considerando-se o meio multicomponente, a estrutura multifásica da célula vegetal e suas variações durante o processo, bem como as propriedades termodinâmicas da água nas diferentes fases O comportamento do tecido vegetai em equilíbrio com soluções desidratantes foi bem representado através de imagens microscópicas, com as quais determinaram-se correlações que representam os volumes das diferentes fases da célula vegetal em função da concentração da água. Para tanto, aplicou-se um modelo que prediz quantitativamente a repartição de água no tecido (MARCOTTE & LeMAGUER, 1991), baseado em aproximações termodinâmicas, determinando-se os volumes das fases, os quais foram comparados com volumes determinados através das imagens microscópicas e também comparados com outros volumes calculados a partir de dados experimentais de concentrações e volumes globais no equilíbrio. Foi desenvolvido um modelo matemático de duas equações para processos de difusão transiente em tecidos biológicos, considerando a interferência entre a difusão dos diferentes componentes, além de descrever os coeficientes difusiorsais e o encolhimento volumétrico do material como funções da concentração. O tecido celular, um meio poroso a nível microscópico, foi tratado como um continuam, o que possibilitou descrever o fenômeno em termos de quantidades mensuráveis. A influência da configuração das interfaces a nível celular, e das propriedades físicas do meto sobre as mesmas, foi computada através de um problema à parte, o "closure" Para a aplicação do modelo, coletaram-se dados de perfis de concentração de água e sacarose em batata imersa em solução constituída pelas referidas espécies, determinando-se experimentalmente uma expressão de encolhimento em função da concentração. As equações de continuidade para água e sacarose ajustaram-se aos resultados experimentais, obtendo-se expressões para os coeficientes efetivos principais e cruzados das duas espécies, em função da concentração. Com a resolução numérica do problema "closure" para um modelo geométrico simplificado de estrutura celular, determinaram-se os coeficientes de difusão nas diferentes fases da célula, o que permitiu uma análise da influência relativa dos mesmos sobre o transporte de massa / Abstract: The equilibrium behavior and the kinetics of osmotic dehydration of vegetable tissues were studied considering a rnulticomponent medium, the multiphase structure of vegetable cell and their changes during the process, and the thermodynamics properties of water at different phases. Microscopic images were able to represent in good agreement the behavior of vegetable tissue. With these images, expressions for the different phases of vegetable cell were determined as a function of water concentration, A model based in thermodynamic approach was applied, which predicts quantitatively the repartition of water in tissue (MARCOTTE & LeMAGUER, 1991), The phase volumes were determined and compared with those calculated by microscopic images and also with values calculated by experimental data of concentrations and total volumes at equilibrium. A two-equation mathematical model for transient diffusion processes was developed to formulate a theory of mass transfer in biological tissues which takes into account the interference between the fluxes, and diffusion coefficients and shrinkage of material as a function of concentration. The cellular tissue, a porous media, was treated as a continuum, to enable description of the phenomena in terms of measurable quantities. The effect of the microscopic configuration of the interfaces and physical properties of the medium on the interfaces was computed by a closure scheme. The spatial distribution of water and sucrose was determined for potato immersed in a concentrated aqueous solution of sucrose. An expression for shrinkage as a function of concentration was obtained. The equations of continuity were well fitted to experimental data of water and sucrose by using the effective diffusion coefficients - two straight and two cross coefficients. The numeric solutions of the closure scheme for a simplified geometrical model of the cellular system permitted to estimate the diffusion coefficients for the different phases of the cell, and to demonstrate the relative contributions of the different coefficients on the mass transport / Doutorado / Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientador: Carlos Alberto Gasparetto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-10-19T19:10:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bencke_SoniaGiraldi_D.pdf: 2648612 bytes, checksum: a853580b4dd1dacc49ef76089fdef908 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Este é um trabalho de modelagem e simulação de um reator do tipo loop para a hidrogenação de óleo de soja. Considerando as vantagens oferecidas por esse tipo de reator e a inexistência de estudos que modelem a hidrogenação de óleos, três modelos são propostos para descrevê-lo: o primeiro propõe que o reator opere em batelada; o segundo propõe uma associação de um reator de mistura em série com um reator tubular e o terceiro utiliza uma associação de um reator de mistura maior com uma série de reatores de mistura menores. Para descrever o processo foram utilizadas as equações de conservação da massa e energia, um modelo cinético de reações consecutivas e dados experimentais de outros autores. As propriedades do óleo foram avaliadas pela teoria da contribuição de grupos, considerando-se os efeitos de temperatura e da composição em ácidos graxos, em cada instante do processo. O sistema de equações do caso batelada foi resolvido analiticamente e os demais utilizando um método de diferenças finitas. Os coeficientes de transferência de massa foram avaliados com base naqueles dados experimentais. O coeficiente gás-líquido resultou inferior ao esperado para um reator desse tipo mas, coerente com reatores em escala piloto. O coeficiente líquido-sólido apresentou valores semelhantes àqueles reportados na literatura. Como esperado, a resistência à transferência de massa líquido-sólido é muito pequena comparada à resistência gás-líquido. Verificou-se que a resistência à difusão do hidrogênio dentro dos poros do catalisador é desprezível. O modelo que, aparentemente, melhor se ajustou aos dados experimentais foi o da associação de reatores de mistura em série. Entretanto a análise estatística de variância mostrou que não há diferença significativa entre esses três modelos. Apesar dessa diferença ser pequena, a consideração do tempo de indução melhorou os ajustes / Abstract: This is a thesis on modeling and simulation of a loop reactor for hydrogenation of soybean oil. Considering the advantages offered by jet loop reactors and the modelling lack for oils hydrogenation, three models are proposed to describes it: the first is a batch reactor; the second is an association of a CSTR in series with PFR and the third is an association of a large CSTR with a series of smaller CSTR. The process was described through the mass and energy balance equations, a model for kinetic reactions and third parties experimental data. Dil properties were evaluated through group contribution theory, taking into account temperature and fatty acids composition occurring during the process Batch model equations were solved analytically and the others were solved using a finite difference method. Mass transfer coefficients were evaluated according to experimental data. Gas-liquid coefficients were lower than the expected ones for a reactor of this kind, but they were close to the pilot unities. Liquid-solid coefficients showed similar behavior to those reported in the literature. As expected, the liquidsolid mass transfer resistance showed to be very small when compared to gasliquid. Hydrogen diffusion inside catalyst's pores was negligible. The association of reactors in series seemed to be the best model although statistical variance analysis showed no significance for the difference among the three models used. Although there was a slight difference when comparing the three models, the induction time correction enhanced the process modelling / Doutorado / Engenharia de Alimentos / Doutora em Engenharia de Alimentos

O sistema agroindustrial da soja é uma atividade econômica fundamental na Região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, que contempla a produção de grãos e empresas fabricantes de secadores. Considerando os grandes volumes das colheitas e que praticamente toda a colheita de grãos, antes do armazenamento, é exposta ao processo de secagem, toda melhoria e aceleração nesse processo fornece um benefício econômico significativo. Essa economia justifica a pesquisa para o desenvolvimento e otimização de secadores, em que a aplicação da modelagem matemática e da simulação numérica são recursos essenciais. Nesta tese foram desenvolvidos um modelo matemático e um programa computacional para simular o processo de secagem de soja em secadores do tipo torre de coluna com fluxo contínuo e múltiplos estágios. Os processos de transferência de calor e de massa foram descritos por um sistema de quatro equações diferenciais parciais não-lineares, resolvido pelo método de MacCormack. Os termos-fonte destas equações foram definidos por equações auxiliares semiempíricas, obtidas através de dados experimentais em camada fina. Para obter os dados experimentais da dinâmica de secagem da soja em camada fina no campo de abrangência da temperatura do ar de secagem de 45 a 110 ºC, da velocidade do ar de secagem de 0 a 2,5 m/s, da umidade relativa do ar de secagem de 10 a 30% e do teor de umidade inicial do grão de 13 a 32% e validar o modelo foi desenvolvido um equipamento que permitiu a variação da umidade, temperatura e velocidade do ar. Os experimentos foram conduzidos em leito fixo. O modelo de secagem do grão com dois compartimentos foi escolhido para a representação da camada fina, pois o estudo experimental mostrou que o coeficiente de difusão médio depende da distribuição de umidade dentro do grão. Nesses compartimentos os coeficientes de secagem são diferentes e variam em função da temperatura. A comparação entre os resultados experimentais e as simulações em camada fina e camada espessa unidimensional apresentam concordância satisfatória, indicando diferenças relativas médias inferiores a 7%. Simulações foram realizadas para diferentes esquemas de secadores de fluxo contínuo, incluindo esquema para economia de energia com a recirculação do ar para o resfriamento e secagem de grãos. As simulações permitiram avaliar a eficiência energética de cada esquema, sendo que o reaproveitamento do calor do ar de recirculação provocou uma economia média de combustível entre 28,5 e 41%, e um rendimento da secagem entre 39,7 e 68%, dependendo do esquema de secador analisado. / The agroindustrial system of soybeans is an essential economic activity in the northwest region of Rio Grande do Sul, which includes the grain production and manufacturers of dryers. Considering the large volumes of crops and that practically every grain harvest, before storage, is exposed to drying process, every improvement and acceleration in this process provides a significant economic benefit. This economy justifies the research for the development and optimization of dryers, where the application of the mathematical modeling and numerical simulation are essential resources. In this thesis, a mathematical model and a computer program were developed to simulate the soybeans drying process in column dryers with continuous flow and multistage. The processes of heat and mass transfer were described by a system of four non-linear partial differential equations solved by the MacCormack method. The source terms of these equations were determined by auxiliary semi-empirical equations obtained from thin layer experimental data. To obtain the thin layer experimental data from drying soybean dynamics in temperature range from 45 to 110 ° C, velocity range from 0 to 2.5 m / s, air relative humidity 10 to 30%, grain moisture content from 13 to 32% and validate the model, an equipment which allowed the variation of humidity, temperature and air velocity was developed. The experiments were conducted in a fixed bed. The twocompartment grain drying model has been chosen to represent the thin layer, because the experimental study showed that the average diffusion coefficient depends on the distribution of moisture within the grain. In these compartments the drying coefficients are different and vary depending on the temperature. The comparison between experimental results and simulations on thin layer and unidimensional thick layer show satisfactory agreement, indicating average differences lower than 7%. Simulations were made for different schemes of continuous flow dryers, including energy saving scheme with recirculation of air for cooling and drying of grain. The simulations permitted to evaluate the energy efficiency of each scheme, and the reuse of heat from the recirculated air caused an average fuel economy of 28.5 and 41%, and a drying efficiency between 39.7 and 68%, depending on the chosen scheme.

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010