Orientador: Maria Isabel Rodrigues / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-06T19:12:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maldonado_RafaelResende_M.pdf: 1875683 bytes, checksum: 3c696cbfa231b172b2aec2339aa46426 (MD5) Previous issue date: 2006 / Mestrado / Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientador: Flávio Vasconcelos da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T15:03:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ramos_VictorSantana_M.pdf: 2207177 bytes, checksum: 63cb53e77a107cef5979f71e6c8fb769 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O desenvolvimento da biotecnologia tem proporcionado um crescimento em pesquisas acadêmicas, nas quais desenvolveram-se reatores conhecidos como airlifts, que são aplicados em bioprocessos diversos, tais como a fermentação alcóolica e o tratamento de efluentes. Assim, este trabalho possui como principais objetivos o projeto, a montagem e a instrumentação de um reator airlift de tubos concêntricos, de modo a obter em tempo real a fração de gás retido e a velocidade de circulação do líquido, e ainda estimar o coeficiente volumétrico de transferência de massa no sistema composto por solução aquosa de etanol e ar, aonde separa-se o etanol do meio através do arraste pelo gás carbônico presente no ar injetado (gas stripping). Os resultados obtidos no presente trabalho permitem concluir que o volume total do reator projetado e o design com as dimensões consideradas permitiram operar o airlift no regime hidrodinâmico de recirculação de gás, e capaz de promover a separação do etanol do meio através do arraste pelo ar comprimido alimentado. Os resultados mostraram que os parâmetros hidrodinâmicos, velocidade de circulação de líquido e fração de gás retido, são dependentes da velocidade superficial do gás alimentado e do volume de solução alcoólica presente na coluna (desnível), mostraram também que o coeficiente volumétrico de transferência de massa sofreu influências da concentração de etanol no meio, do desnível, da velocidade superficial de gás e da temperatura, sendo esta última a variável de maior influência entre as consideradas / Abstract: The development of biotechnology has provided an increase in academic research, which evolved reactors known as airlifts, which are applied in several bioprocesses, such as alcoholic fermentation and wastewater treatment. Thus, this work has as main objectives the design, assembly and automation of a concentric tube airlift reactor, in order to obtain in real time the gas hold-up and liquid circulation velocity, and still estimate the volumetric mass transfer coefficient in a system composed of air and aqueous ethanol, the latter was recovered from the carbon dioxide stripping gas in a refrigerated condenser. The results obtained in this study allow is possible to conclude that the airlift designed behaved satisfactorily and as expected, the total volume of the reactor and designed with the dimensions considered design allowed us to operate the reactor in the gas recirculation regime, and capable of promoting the separation of the ethanol by stripping. The results showed that the hydrodynamic parameters, liquid circulation velocity and gas hold-up, are dependent on the superficial gas velocity and the volume of alcohol solution on the column (dispersion height), also showed that the volumetric mass transfer coefficient was influenced by ethanol concentration, dispersion height, superficial gas velocity and temperature, the latter being the most influential among the considered variable / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

A tecnologia de reatores multifásicos é o coração das transformações químicas de todos os processos industriais, concretamente 99% dos reatores trabalham com a presença de uma ou mais fases. A tomografia é uma técnica poderosa capaz de determinar o efeito de parâmetros operacionais e de desenho na distribuição do holdup das fases, visualizando sistemas opacos de uma forma não invasiva. Um tomógrafo computadorizado de fonte única (SSCT) com capacidade de gerar imagens para as distribuições de holdup em sistemas com duas fases dinâmicas foi desenvolvido e validado com sucesso no CTR/IPEN. Algoritmos para reconstrução de imagens analíticos e discretos ou iterativos (estatísticos) foram desenvolvidos e implementados para tais aplicações e depois comparados. O SSCT foi utilizado para determinar as distribuições de porosidades e de holdup dos sólidos para uma coluna de recheio aleatório. Na Washington University em St. Louis, no Laboratório de Engenharia da Reação Química (CREL), um tomógrafo com duas fontes radioativas (DSCT) capaz de gerar imagens da distribuição do holdup das fases para sistemas dinâmicos com três fases móveis foi validado com êxito. Uma nova metodologia para reconstrução de imagens, que garantiu alta precisão na geração das distribuições do holdup em sistemas de grande porte, foi aplicada. O DSCT permitiu avaliar a influência de parâmetros de operação e do desenho de um aerador em um bioreator na escala piloto. O efeito do desenho de um distribuidor de gás líquido e do regime de escoamento foram determinados para um reator monolítico utilizando o DSCT. Os equipamentos e técnicas desenvolvidas neste trabalho podem ser considerados como uma ferramenta efetiva de pesquisa, intensificando estudos experimentais em uma grande gama de sistemas multifásicos através de geração de imagens. Para isto, foram superadas várias limitações comuns a outras técnicas tomográficas existentes utilizadas no estudo de sistemas com duas e três fases dinâmicas, onde os conhecimentos adquiridos nestes estudos poderão melhorar a compreensão básica dos efeitos de desenho e dinâmica em reatores multifásicos. / It is important to recognize that at the heart of chemical transformations in all process and energy industries is multiphase reator technology, as over 99% of reator systems require the presence of more than one phase for proper operation. Tomography is a powerful technique capable of determining the effect of operating and design parameters on the phase holdup distribution by visualization in opaque flow systems in a noninvasive manner. A single source computed tomography (SSCT) system capable of imaging phase holdup distribution in two phases flow was successfully developed and validated at CTR/IPEN. Analytical and discrete (statistical) image reconstruction algorithms were developed and compared between them. SSCT has been applied to characterize the gas holdup and porosity distributions in a random packed column. At the Chemical Reaction Engineering Laboratory (CREL) of Washington University in St Louis, a novel dual source computed tomography (DSCT) system capable of imaging phase holdup distribution in three phases flow was successfully developed and validated. A new image reconstruction methodology was applied for the image reconstruction of the DSCT which enables accurate imaging of the phase holdup distribution in large scale multiphase systems. DSCT has been applied to characterize the effect of operating parameters and sparger design on the liquid flow behavior of a pilot scale anaerobic bioreactor. Performance studies were carried to access the performance of a gas-liquid distributor and liquid flow in a monolithic reactor using the DSCT. The scanners and techniques developed as part of this work provides an effective research tool for expanding experimental research in a wide range of multiphase flow systems via imaging. It has overcome many limitations, common to the various tomography techniques that exist for imaging systems with two and three phase flow. The knowledge gained from these studies improves the fundamental understanding of the effects of design and dynamics of multiphase reactors.

A tecnologia de reatores multifásicos é o coração das transformações químicas de todos os processos industriais, concretamente 99% dos reatores trabalham com a presença de uma ou mais fases. A tomografia é uma técnica poderosa capaz de determinar o efeito de parâmetros operacionais e de desenho na distribuição do holdup das fases, visualizando sistemas opacos de uma forma não invasiva. Um tomógrafo computadorizado de fonte única (SSCT) com capacidade de gerar imagens para as distribuições de holdup em sistemas com duas fases dinâmicas foi desenvolvido e validado com sucesso no CTR/IPEN. Algoritmos para reconstrução de imagens analíticos e discretos ou iterativos (estatísticos) foram desenvolvidos e implementados para tais aplicações e depois comparados. O SSCT foi utilizado para determinar as distribuições de porosidades e de holdup dos sólidos para uma coluna de recheio aleatório. Na Washington University em St. Louis, no Laboratório de Engenharia da Reação Química (CREL), um tomógrafo com duas fontes radioativas (DSCT) capaz de gerar imagens da distribuição do holdup das fases para sistemas dinâmicos com três fases móveis foi validado com êxito. Uma nova metodologia para reconstrução de imagens, que garantiu alta precisão na geração das distribuições do holdup em sistemas de grande porte, foi aplicada. O DSCT permitiu avaliar a influência de parâmetros de operação e do desenho de um aerador em um bioreator na escala piloto. O efeito do desenho de um distribuidor de gás líquido e do regime de escoamento foram determinados para um reator monolítico utilizando o DSCT. Os equipamentos e técnicas desenvolvidas neste trabalho podem ser considerados como uma ferramenta efetiva de pesquisa, intensificando estudos experimentais em uma grande gama de sistemas multifásicos através de geração de imagens. Para isto, foram superadas várias limitações comuns a outras técnicas tomográficas existentes utilizadas no estudo de sistemas com duas e três fases dinâmicas, onde os conhecimentos adquiridos nestes estudos poderão melhorar a compreensão básica dos efeitos de desenho e dinâmica em reatores multifásicos. / It is important to recognize that at the heart of chemical transformations in all process and energy industries is multiphase reator technology, as over 99% of reator systems require the presence of more than one phase for proper operation. Tomography is a powerful technique capable of determining the effect of operating and design parameters on the phase holdup distribution by visualization in opaque flow systems in a noninvasive manner. A single source computed tomography (SSCT) system capable of imaging phase holdup distribution in two phases flow was successfully developed and validated at CTR/IPEN. Analytical and discrete (statistical) image reconstruction algorithms were developed and compared between them. SSCT has been applied to characterize the gas holdup and porosity distributions in a random packed column. At the Chemical Reaction Engineering Laboratory (CREL) of Washington University in St Louis, a novel dual source computed tomography (DSCT) system capable of imaging phase holdup distribution in three phases flow was successfully developed and validated. A new image reconstruction methodology was applied for the image reconstruction of the DSCT which enables accurate imaging of the phase holdup distribution in large scale multiphase systems. DSCT has been applied to characterize the effect of operating parameters and sparger design on the liquid flow behavior of a pilot scale anaerobic bioreactor. Performance studies were carried to access the performance of a gas-liquid distributor and liquid flow in a monolithic reactor using the DSCT. The scanners and techniques developed as part of this work provides an effective research tool for expanding experimental research in a wide range of multiphase flow systems via imaging. It has overcome many limitations, common to the various tomography techniques that exist for imaging systems with two and three phase flow. The knowledge gained from these studies improves the fundamental understanding of the effects of design and dynamics of multiphase reactors.

Made available in DSpace on 2017-07-24T19:38:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosimara Zittel.pdf: 2197967 bytes, checksum: 998970b2f17497eb039147b02ef5e64c (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study aimed to investigate domestic organic waste, wood and smuggled cigarette tobacco residue biodegradation in five facultative reactors. In order to monitor the process, physicochemical (pH, temperature, humidity and the C/N ratio), biological (germination test) and spectroscopic (UV-Vis and IR) analyses were carried out. Besides that, the wood waste granulometry influence and the proportions of tobacco waste added were investigated. The best results were obtained for the proportions 10% and 40% (volume) of smuggled cigarette tobacco (SCT) mixed to wood waste chip (WWC) sized 20 and 40mm. The C/N ration analyses and the phytotoxicity tests revealed that the compound reached maturity within a period of 120 days of processing in the 5 reactors. The spectroscopic UV-Vis and IR pointed to the efficiency, indicating the compounds of simpler structures degradation and the formation of more complex groups (humic substances). In the metal analysis, it was observed that the concentrations are in agreement with the maximum permitted by the lows for the solid compound. Thus, it was concluded that the proposal of treating the waste under study through the facultative reactors was efficient. / O presente trabalho teve como objetivo estudar a biodegradação de resíduos orgânicos domésticos, resíduos de madeira e de tabaco de cigarros contrabandeados em cinco reatores facultativos. Para o monitoramento do processo foram realizadas análises físico-químicas (pH, temperatura, umidade e razão C/N), biológicas (teste de germinação) e espectroscópicas (UV-Vis e IV). Além disso, foi investigada a influência da granulometria dos resíduos de madeira adicionados e das proporções dos resíduos de tabaco adicionados. Os melhores resultados foram obtidos para as proporções de 10% e 40% (volume) de tabaco de cigarro contrabandeado (TCC), misturado ao resíduo de madeira (RML), com tamanho de 20 e 40 mm. As análises da razão C/N e os testes de fitotoxicidade mostraram que o composto alcançou sua maturidade em um período de 120 dias de processo nos 5 reatores. As análises espectroscópicas de UV-Vis e IV mostraram a eficiência, indicando a degradação de compostos de estrutura mais simples e a formação de grupos mais complexos (substâncias húmicas). Para a análise de metais, observou-se que as concentrações estão de acordo com as legislações para o composto orgânico. Assim, concluiu-se que a proposta de tratamento dos resíduos estudados por meio dos reatores facultativos foi eficiente.

A conversão enzimática da sacarose pela ação sucessiva da invertase e da glicose oxidase (GOD), permite obter produtos de maior valor agregado, a saber, frutose e o ácido glicônico, dois produtos de amplo uso na indústria farmacêutica, alimentícia e química. Foi estudada a aplicação da invertase imobilizada em resinas aniônicas do tipo Dowex® (um copolímero de poliestireno-divinilbenzeno) sobre a hidrólise da sacarose bem como a oxidação da glicose pela glicose oxidase solúvel ou imobilizada no mesmo suporte em separado (sistema bifásico), utilizando-se um reator de membrana acoplado à membrana de ultrafiltração (100kDa) ou de microfiltração (5µm). Posteriormente, avaliou-se o desempenho de ambas as formas de enzimas, solúveis ou imobilizadas num sistema monofásico empregando o mesmo reator. A bioconversão executada em sistema bifásico permitiu a obtenção de xarope de frutose da ordem de 70% através da separação de glicose e frutose utilizando-se a resina catiônica 50W:8-100. O rendimento de 96,6% e 67,4% para as formas solúveis e imobilizadas respectivamente foram obtidas em sistema monofásico. O não desprendimento das enzimas dos suportes viabilizou o uso da membrana de microfiltração, trazendo vantagens à operação de biorreator com membrana. / The enzymatic conversion of sucrose through a successive action of invertase and glucose oxidase (GOO) allows the obtainment of products with higher commercial value, fructose and gluconic acid, which are widely used in pharmaceutical, food and chemical industries. Invertase and GOO immobilized on Dowex® anionic resin (a polystyrene divinylbenzene copolymer) as well as soluble GOD were used in a membrane bioreactor (MS) for sucrose hydrolysis and glucose oxidation. The MB was coupled with a UF-membrane (100kDa) or a MF-membrane (5µm). The bioconversion was conducted in two steps (biphasic system) as well as in one step (monophasic system). The bioconversion operated in a biphasic system permitted obtaining a fructose syrup with a concentration of about 70% through a separation of glucose and fructose using a cationic resin, 50W:8-100. As for the monophasic system, the yield of 96.6% and 67.4% for soluble and immobilized forms were attained respectively. No leakage of the enzymes from the support allowed the use of a microfiltration membrane, adding advantages to the membrane bioreactor operation.

A conversão enzimática da sacarose pela ação sucessiva da invertase e da glicose oxidase (GOD), permite obter produtos de maior valor agregado, a saber, frutose e o ácido glicônico, dois produtos de amplo uso na indústria farmacêutica, alimentícia e química. Foi estudada a aplicação da invertase imobilizada em resinas aniônicas do tipo Dowex® (um copolímero de poliestireno-divinilbenzeno) sobre a hidrólise da sacarose bem como a oxidação da glicose pela glicose oxidase solúvel ou imobilizada no mesmo suporte em separado (sistema bifásico), utilizando-se um reator de membrana acoplado à membrana de ultrafiltração (100kDa) ou de microfiltração (5µm). Posteriormente, avaliou-se o desempenho de ambas as formas de enzimas, solúveis ou imobilizadas num sistema monofásico empregando o mesmo reator. A bioconversão executada em sistema bifásico permitiu a obtenção de xarope de frutose da ordem de 70% através da separação de glicose e frutose utilizando-se a resina catiônica 50W:8-100. O rendimento de 96,6% e 67,4% para as formas solúveis e imobilizadas respectivamente foram obtidas em sistema monofásico. O não desprendimento das enzimas dos suportes viabilizou o uso da membrana de microfiltração, trazendo vantagens à operação de biorreator com membrana. / The enzymatic conversion of sucrose through a successive action of invertase and glucose oxidase (GOO) allows the obtainment of products with higher commercial value, fructose and gluconic acid, which are widely used in pharmaceutical, food and chemical industries. Invertase and GOO immobilized on Dowex® anionic resin (a polystyrene divinylbenzene copolymer) as well as soluble GOD were used in a membrane bioreactor (MS) for sucrose hydrolysis and glucose oxidation. The MB was coupled with a UF-membrane (100kDa) or a MF-membrane (5µm). The bioconversion was conducted in two steps (biphasic system) as well as in one step (monophasic system). The bioconversion operated in a biphasic system permitted obtaining a fructose syrup with a concentration of about 70% through a separation of glucose and fructose using a cationic resin, 50W:8-100. As for the monophasic system, the yield of 96.6% and 67.4% for soluble and immobilized forms were attained respectively. No leakage of the enzymes from the support allowed the use of a microfiltration membrane, adding advantages to the membrane bioreactor operation.