O presente trabalho foi desenvolvido para determinar os parâmetros de operação adequados de um biorreator, reator de aço inox com capacidade para 200 L, para tratamento de resíduos sólidos urbanos (RSU’s) por processo de digestão anaeróbia. Acelerando a degradação da matéria biodegradável presente no RSU, por meio do controle de parâmetros químic os e físicos, forneceu-se ao sistema condições para o desenvolvimento dos microrganismos necessários para a produção de gás (biogás) em um curto período de tempo. Foram realizados vários experimentos para determinação dos parâmetros mais adequados. Foram utilizadas três diferentes quantidades de resíduos de fácil biodegradabilidade (10, 20 e 30 kg) como frutas, verduras, legumes e cascas cortados em pedaços de 5 x 5 cm e acondicionados dentro do biorreator. Lodo anaeróbio granular foi utilizado como inóculo no sistema, e o restante do volume do biorreator foi preenchido com água destilada. O sistema foi tamponado com 3 g L-1 de bicarbonato de sódio (NaHCO3) e a temperatura do sistema foi mantida constante a 38ºC. O chorume gerado foi coletado no vaso coletor de chorume e recirculado para o topo do biorreator, o reciclo foi realizado diariamente a uma taxa de 2 L min-1. Para controle do sistema foram monitorados o pH , a temperatura, a demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio com incubação de 5 dias (DBO5), ácidos orgânicos voláteis (AOV’s) e oxigênio dissolvido (OD). No experimento realizado com 30 kg de resíduo orgânico, foram obtidos os resultados mais satisfatórios. Na partida do sistema o pH apresentou valor inicial de 6,99, aumentando para 7,37 no 2º dia de operação, mantendo o valor médio de 7,46 durante os 20 dias de operação. A DQO diminuiu de 5533 mg L-1 para 633 mg L-1 ao final da operação, resultando em uma demanda química de oxigênio removida (DQOR) igual a 4900 mg L-1. Os AOV’s apresentaram um aumento inicial de 86 mg L-1 para 129 mg L-1, e posterior diminuição até atingir a concentração final de 9 mg L-1. A diminuição ocorrida na DQO e nos AOV’s revelou o consumo da matéria orgânica presente no biorreator que resultou na produção total de 1352 L de gás.

Resumo: O lixiviado de aterro industrial caracteriza-se por sua difícil tratabilidade atribuída à baixa biodegradabilidade dos seus componentes. Tecnologias já consolidadas no tratamento de efluentes, como lodos ativados, têm baixa eficiência frente à difícil degradação biológica do lixiviado, visto que seus componentes são recalcitrantes e de alto peso molecular. O MBR (biorreator à membrana) tornou-se uma alternativa para o tratamento de lixiviado, pois une o processo de degradação biológica do sistema de lodos ativados ao sistema de ultrafiltração realizado pelas membranas. O sistema de ultrafiltração permite operar com alta concentração de sólidos no biorretor com TDH independente da idade do lodo, sem a necessidade do decantador secundário na configuração do sistema. Neste estudo foi possível avaliar a tratabilidade do lixiviado de aterro industrial pelo MBR, tendo como objetivos o estudo da cinética de biodegradação com aplicação do modelo de Eckenfelder, com variação da relação A/M de 0,1 a 0,4 kg DBO5/kg SSV d; a operacionalidade do MBR e a eficiência do processo, com avaliação da qualidade do permeado obtido para determinados fins de reuso. Para tanto, foi calculada a média dos 5 ensaios para cada relação A/M avaliada e plotados em gráficos, em que foram determinadas as seguintes constantes cinéticas de biodegradação do lixiviado de aterro industrial: taxa de remoção de susbstrato (k), 0,0021 L/mg d; consumo de oxigênio (a´e b´), 1,44 kg O2/kg DBO5 removido e 0,14 kg O2 na respiração endógena/kg SSV no biorreator, respectivamente. Para a produção de lodo foram determinados os valores (a e b) de 0,107 kg SSV/kg DBO5 e 0,002 kg SSV oxidado/kg SSV, respectivamente. As eficiências alcançadas para a remoção de DBO5, DQO, COT, nitrogênio amoniacal, SST, cor, coliformes termotolerantes e totais foram de 88%, 84%, 79%, acima de 99%, 100%, 89% e 100%, respectivamente. A qualidade do permeado produzido alcançou os padrões exigidos pela USEPA para determinados fins de reuso, como também os padrões de lançamento exigidos pela Resolução CONAMA Nº 357/05 e pela LO expedida pelo IAP para matéria orgânica. Os resultados corroboraram com pesquisas já realizadas sobre a viabilidade de se utilizar MBR no tratamento de lixiviado oriundo de aterro industrial bem como seu reuso.

Resumo: O ácido giberélico (GA3) é um importante hormônio vegetal, pertencente à família das giberelinas. É um promotor e regulador de crescimento de plantas, que controla a germinação de sementes, atua no alongamento da parte aérea, induz a florescência, melhora o rendimento, entre outros. A produção de GA3 não é realizada no Brasil sendo produzido apenas por grandes indústrias pelo processo de fermentação submersa, com altos custos o que limita sua aplicação em diversos cultivares. Este trabalho teve por objetivo produzir GA3 por fermentação submersa (FSm) e fermentação no estado semissólido (FESS) utilizando como substratos subprodutos da agroindústria brasileira. Realizou-se uma seleção de cepas de fungos filamentosos quanto à produção de GA3 em meio sintético Imperial Chemical Industry (ICI) por FSm. A maior produção de GA3 obtida foi 248,3 mg/L com a cepa Gibberella fujikuroi LPB-06. Em seguida, foi realizada a seleção de um substrato alternativo para produção de GA3 (extrato aquoso de polpa cítrica (EAPC), manipueira, melaço de cana, melaço de soja e vinhaça). O EAPC foi então escolhido e a produção de GA3 foi de 150 mg/L (1,5 g de GA3/kg de polpa cítrica (PC) seca) em 120 horas de fermentação. Utilizando o EAPC, foram otimizadas algumas condições de fermentação tais como: taxa de inóculo, pH, quantidade de PC no extrato e nutrientes a serem adicionados ao EAPC. As maiores concentrações de GA3 (320 mg/L ou 3,7 g de GA3/kg de PC seca) foram obtidas utilizando o EAPC 10% (10% de PC seca), pH 5,5 (natural da PC), 10% de taxa de inóculo e 0,5 g/L de MgSO4. Na suspensão de PC (SPC) foram otimizadas a quantidade de PC e sua granulometria, assim como nutrientes para serem adicionados a SPC. A maior concentração de GA3 obtida foi de 331 mg/L (7,7 g de GA3/kg de PC seca) utilizando 5% de PC na SPC, granulometria da PC de 2 a 2,8 mm, 20 g/L de sacarose e 0,6 g/L de uréia. A produção de GA3 por FSm foi escalonada para biorreatores do tipo tanque agitado (STR) e biorreatores do tipo coluna de bolhas (BCB). Para STR foram utilizadas duas taxas de aeração diferentes (1 e 5 L/min) e duas velocidades de agitação (300 e 500 rpm). Para o BCB foram utilizadas três taxas de aeração diferentes (0,1, 0,5 e 1L de ar/min). A melhor produção de GA3 em STR foi de 273 mg/L (3,2 g de GA3/kg de PC seca) em 96 horas na condição de 500 rpm e 1 L de ar/min e, a melhor produção obtida por BCB foi de 203,1 mg/L (2,4 g de GA3/kg de PC seca) em 216 horas na condição de 1L de ar /min. A FESS foi escalonada para biorreatores BCB e utilizaram-se três condições de aeração (0,1, 0,5 e 1L de ar/min). A melhor produção de GA3, neste caso, foi de 207,7 mg/L (4,8 g de GA3/kg de PC seca) em 216 horas na condição de 1L de ar/min. Os resultados apresentaram perspectivas de sequencia dos estudos tais como: aumento de escala do processo de produção de GA3 por FESS de frascos de Erlenmeyer para biorreator STR e estudo de diferentes modos de fermentação, melhoramento genético do fungo, estudos de processo de purificação do GA3, modelagem matemática do processo de produção de GA3, formulação de produtos a base de GA3, aplicação dos produtos em campo e estudo econômico dos custos de produção dos produtos obtidos.

O presente trabalho foi desenvolvido para determinar os parâmetros de operação adequados de um biorreator, reator de aço inox com capacidade para 200 L, para tratamento de resíduos sólidos urbanos (RSU’s) por processo de digestão anaeróbia. Acelerando a degradação da matéria biodegradável presente no RSU, por meio do controle de parâmetros químic os e físicos, forneceu-se ao sistema condições para o desenvolvimento dos microrganismos necessários para a produção de gás (biogás) em um curto período de tempo. Foram realizados vários experimentos para determinação dos parâmetros mais adequados. Foram utilizadas três diferentes quantidades de resíduos de fácil biodegradabilidade (10, 20 e 30 kg) como frutas, verduras, legumes e cascas cortados em pedaços de 5 x 5 cm e acondicionados dentro do biorreator. Lodo anaeróbio granular foi utilizado como inóculo no sistema, e o restante do volume do biorreator foi preenchido com água destilada. O sistema foi tamponado com 3 g L-1 de bicarbonato de sódio (NaHCO3) e a temperatura do sistema foi mantida constante a 38ºC. O chorume gerado foi coletado no vaso coletor de chorume e recirculado para o topo do biorreator, o reciclo foi realizado diariamente a uma taxa de 2 L min-1. Para controle do sistema foram monitorados o pH , a temperatura, a demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio com incubação de 5 dias (DBO5), ácidos orgânicos voláteis (AOV’s) e oxigênio dissolvido (OD). No experimento realizado com 30 kg de resíduo orgânico, foram obtidos os resultados mais satisfatórios. Na partida do sistema o pH apresentou valor inicial de 6,99, aumentando para 7,37 no 2º dia de operação, mantendo o valor médio de 7,46 durante os 20 dias de operação. A DQO diminuiu de 5533 mg L-1 para 633 mg L-1 ao final da operação, resultando em uma demanda química de oxigênio removida (DQOR) igual a 4900 mg L-1. Os AOV’s apresentaram um aumento inicial de 86 mg L-1 para 129 mg L-1, e posterior diminuição até atingir a concentração final de 9 mg L-1. A diminuição ocorrida na DQO e nos AOV’s revelou o consumo da matéria orgânica presente no biorreator que resultou na produção total de 1352 L de gás.

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.

Made available in DSpace on 2016-02-05T18:30:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-06-18. Added 1 bitstream(s) on 2016-02-05T18:34:10Z : No. of bitstreams: 1 000857369.pdf: 1913913 bytes, checksum: 2f38669e1a503f107487f09a70af3b0c (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / As lacases são enzimas que catalisam uma reação que oxida moléculas aromáticas fenólicas. Com grande potencial biotecnológico, as lacases podem ser empregadas em diversos setores industriais. Suas principais aplicações são referentes a indústria de polpa e papel, têxtil, alimentícia, bem como na química sintética e biorremediação. Em estudos prévios, o fungo basidiomiceto Peniophora sp. CBMAI 1063, isolado da esponja marinha Amphimedon viridis, apresentou 1.350 U/L de atividade para lacases em meio submerso salino otimizado. Tendo em vista a importância dos fungos e dessas enzimas para a biotecnologia, o objetivo do trabalho foi estudar a produção de lacases pelo basidiomiceto de origem marinha Peniophora sp. CBMAI 1063 em biorreatores de bancada. Foram conduzidos 11 cultivos em biorreatores de agitação mecânica (STR) e um em biorreator pneumático (air-lift), definindo parâmetros como o tempo em que o inóculo do biorreator deve ser incubado, frequência de agitação, kLa e valor do pH inicial. A atividade máxima para lacases obtida em biorreator de agitação mecânica foi de 2.700 U/L em 120h de cultivo, em 150 rpm de agitação (1,0 vvm: kLa de 17,2 h-1) e pH 4,5 inicial. Nessas condições e com o inóculo cultivado também por 120h, a taxa máxima de formação do produto foi de 60 U/L.h e produtividade máxima de 25,5 U/L.h. O fungo quando cultivado em biorreator air-lift sob 1,0 vvm de aeração apresentou atividade de 4.014 U/L em 96 horas de cultivo, com taxa máxima de formação do produto de 55 U/L.h e produtividade máxima de 40 U/L.h. Análises da macro-morfologia fúngica ao término do bioprocesso indicaram que o biorreator STR causou mais danos ao micélio fúngico do que o cultivo em biorreator air-lift. Experimentos adicionais em frascos agitados demonstraram que o fungo Peniophora sp. CBMAI 1063 apresentou melhores atividades para lacases e maiores índices de biomassa seca na presença de 65%... / Laccases are enzymes that catalyzes a reaction that oxidizes phenolic compounds. With a great biotechnological potential, laccases can be applied in many industrial areas. Most of the applications are related to pulp and paper, textile, food and beverage industries, as well as in synthetic chemistry and bioremediation. In earlier studies, the basidiomycete Peniophora sp. CBMAI 1063, isolated from marine sponge Amphimedon viridis, exhibited 1.350 U/L of laccases' activity under submerged culture in optimized saline medium. Taking into consideration the importance of the fungi and these enzymes for biotechnology, the purpose of this work was to study the laccases' production by the marine-derived basidiomycete Peniophora sp. CBMAI 1063 in bench bioreactors. It was performed 11 experiments in stirred tank reactor (STR) and one in pneumatic bioreactor (air-lift), establishing parameters such as inoculum incubation time, frequency of agitation, kLa, and initial pH value. The maximum laccases activity obtained in stirred tank reactor was 2.700 U/L in 120 hours of cultivation under 150 rpm of agitation (1,0 vvm: kLa de 17.2 h-1) and initial pH value of 4.5. In those conditions, with the inoculum cultivated for 120 hours, the maximum product formation rate was 60 U/L.h and the maximum productivity was 25.5 U/L.h. The fungus when cultivated in air-lift bioreactor under 1.0 vvm of aeration showed the activity of 4.014 U/L in 96 hours of growth. The maximum product formation rate obtained in that experiment was 55 U/L.h and the maximum productivity was 40 U/L.h. Analysis of the macro-morphology at the end of the processes indicated that STR bioreactor caused more damage to the fungus' mycelium than the air-lift bioreactor. Additional experiments in agitated flasks showed that the fungi Peniophora sp. CBMAI 1063 had higher laccases' activity and higher yields of dry biomass in the presence of 65% (v/v) of artificial seawater (ASW) and 2mM of ...

Orientador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, Ph.D. / Coorientador: Prof. André Bellin Mariano, D.Sc / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 16/12/2014 / Inclui referências : f. 119-130 / Área de concentração: Engenharia e ciência de materiais / Resumo: O presente trabalho trata do desenvolvimento de um modelo matemático e computacional para analisar cultivos de microalgas em fotobiorreatores tubulares compactos. Este sistema físico (fotobiorreator) é composto de um reservatório, tubulações transparentes, tubulações opacas, conexões opacas, coluna de gaseificação e bomba hidráulica. O modelo matemático tem como base os princípios físicos presentes em Dinâmica Populacional, Cinética Química, Termodinâmica Clássica e correlações empíricas de Mecânica dos Fluidos, Transferência de Calor e Massa e também Óptica. Desta forma, geram-se equações diferenciais ordinárias (EDO), cuja finalidade é obter o comportamento da evolução temporal do sistema de cultivo de microalgas em fotobiorreatores tubulares compactos a partir de dados iniciais conhecidos. O sistema EDO é resolvido utilizando o método de Runge-Kutta de quarta ordem, como solução são apresentados os perfis de radiação solar, temperatura e de concentrações no fotobiorreator. A discretização do domínio computacional, modelagem matemática e numérica tem como base o Método de Elementos de Volumes (MEV). Uma interface de fácil acesso para usuários foi desenvolvida, com ferramentas que auxiliam na simulação do cultivo das microalgal e visualização 3D. Os resultados apresentados da evolução temporal do crescimento microalgal são satisfatórios e condizem com a realidade. O modelo matemático e computacional de estimar a produtividade de óleo de microalgas (L/m2.ano) e também o consumo de CO2 pelas microalgas. / Abstract: The present work deals with the development of a mathematical and computational model to analyze cultures of microalgae in compact tube photobioreactors. This physical system (fotobiorreator) consists of a reservoir, transparent tubes, opaque tubes, opaque connections, column gasification and the hydraulic pump. The mathematical model is based on physical principles to the present in Population Dynamics, Chemical Kinetics, Thermodynamics Classical and empirical correlations of Fluid Mechanics, Heat and Mass Transfer and Optics. Thus, it generates ordinary differential equations (ODE), whose purpose is to describe the time evolution of the system for cultivation of microalgae photobioreactors compact tube from known initial data. The system ODE is solved using the Runge-Kutta fourth order solution is presented and how the profiles of solar radiation, temperature and concentration in fotobiorreator. The discretization of the computational domain and numerical and mathematical modeling is based on the volume element method (VEM). The final stage of the software shows an interface easy access to user with tools that assist in the cultivation of microalgal simulation and 3D visualization. The presented results of the temporal evolution of microalgal growth are satisfactory and in line with reality. The mathematical and computer model to estimate the productivity of microalgae oil (L/m2.ano) and also the consumption of CO2 by microalgae.

Orientador : Prof. Dr. Luiz Fernando de Lima Luz Junior / Coorientador : Prof. Dr. David Alexander Mitchell / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Defesa: Curitiba, 30/03/2016 / Inclui referências : f.101-108 / Resumo:A fermentação em estado sólido (FES) demonstra grande potencial por apresentar grande produtividade volumétrica e baixos custos de operação. Porém existem grandes desafios para que esta rota de produção seja aplicada em grandes escalas. Corridas de fermentação e testes para a larga escala são demasiadamente caras e demoradas e, devido a isto, os modelos matemáticos e as simulações computacionais tornam-se ainda mais importantes para a superação destes desafios. As técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) estão cada vez mais acessíveis, contudo não se encontra na literatura nenhuma aplicação do CFD em sistemas de FES. No trabalho atual, utilizou-se o software comercial de fluidodinâmica computacional ANSYS Fluent® 16.0 para desenvolver um modelo matemático para a transferência de calor e massa, juntamente ao crescimento microbiano em um biorreator em escala piloto de leito fixo. As simulações levam em consideração a dinâmica do fluxo em meios porosos, o não equilíbrio térmico e de concentrações de água entre as fases sólida e gasosa, o crescimento da biomassa (microrganismo), a geração de calor e água metabólicos, e a variação da permeabilidade do leito ao longo do tempo. Este modelo foi manualmente incluído no software por meio de UDFs (User Defined Functions). O uso do CFD apresenta a vantagem de prever possíveis gradientes de temperatura e de transferência de massa radiais gerados pela geometria complexa do sistema. A geometria foi baseada no biorreator piloto localizado nas instalações da Universidade Federal do Paraná. Ela foi desenhada em 3D no software ANSYS ICEM CFD® 16.0 e transportada para o Fluent para configurar todas as condições de operação. Baseou-se as simulações em dois experimentos de condições distintas, visando representá-los e compará-los aos resultados obtidos por CFD. Um experimento de FES foi promovido através do cultivo do fungo Aspergillus niger no biorreator piloto, cujas condições iniciais foram aplicadas para a simulação final do cultivo. Para a obtenção de parâmetros de permeabilidade, foram feitas medições de perda de carga em corridas de fermentação no biorreator piloto. O valor da perda de carga predita é similar à medida no experimentalmente. O mesmo modelo matemático foi capaz de descrever coerentemente as dinâmicas de transferência de calor e massa de ambos os experimentos. A predição do crescimento biológico ao longo do cultivo também produziu perfis de concentração de biomassa e de temperatura do leito concordantes com observações experimentais. Desta forma, se desenvolveu um meio robusto e confiável de testar condições de operação para produções de larga escala em biorreatores de fermentação em estado sólido. Palavras-Chave: Fermentação em Estado Sólido, FES, Fluidodinâmica Computacional, CFD, ANSYS Fluent. / Abstract: Solid-state fermentation (SSF) has potential advantages for the production of certain biotechnological products, due to its large volumetric productivity and low operating costs. However, there are major challenges in obtaining adequate heat and mass transfer when this fermentation method is used at large scales. Mathematical models and computer simulations are useful tools for designing strategies to overcome these challenges, given the cost of large-scale fermentation experiments. It is therefore surprising that, to date, there are few examples of the application of computational fluid dynamics (CFD) to SSF bioreactors. In the current work, we used the commercial CFD software ANSYS FLUENT® 16.0 to develop a mathematical model for heat and mass transfer along the microbial growth in a pilot-scale packed-bed bioreactor. On the simulation were taken into account: the dynamics of airflow in the porous substrate bed; the lack of thermal and moisture equilibrium between the solid and gas phases; and the influence of the biological growth on the solid consumption, bed porosity and permeability and on the balances due the metabolic heat and water productions The model was inserted into the commercial CFD software ANSYS Fluent® 16.0 through UDF's (user defined functions). CFD models can predict radial temperature and mass transfer gradients in complex geometries of flow. The mesh and geometry were based on the pilot-scale bioreactor, located at the Federal University of Paraná facilities. The 3D geometry was drawn using ANSYS ICEM CFD® 16.0 and exported to Fluent in order to set all the operational conditions. The simulation conditions were based on two different experiments, aiming to represent them and compare them to the obtained CFD results. A SSF experiment was performed by growing the fungus Aspergillus niger on the pilot-scale bioreactor, which initial conditions were applied on the final cultivation simulation. The permeability parameters were estimated by the pressure drop data taken from the SSF run. The predicted pressure drop values were similar to the experimental readings. The same mathematical model was capable of describe coherently the dynamics of mass and heat transfer of both experiments. The biological growth prediction over the cultivation also produced biomass concentration and temperature profiles showed to be accordant to the experimental observations. Thus, the work intends to provide the basis for the development of a robust and reliable model for testing operating conditions and control strategies for large-scale cultivation in SSF bioreactors. Keywords: Solid State Fermentation, SSF, Computational Fluid Dynamics, CFD, ANSYS Fluent

Made available in DSpace on 2014-08-13T14:50:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-12-17Bitstream added on 2014-08-13T18:00:20Z : No. of bitstreams: 1 000761771.pdf: 941550 bytes, checksum: 5fa87d0b2448e2f86d3f64561da5d73a (MD5) / Avaliou-se inicialmente a adaptação de inóculo mesofílico para a conversão anaeróbia termofílica da vinhaça de cana-de-açúcar, em dois reatores UASB instalados em série R1 e R2. Na entre-safra da colheita da cana-de-açúcar avaliou-se o uso do melaço de cana-de-açúcar e depois, novamente a vinhaça para a produção de metano. Os reatores foram mantidos na temperatura controlada de 55°C e operados por 387 dias. As cargas orgânicas volumétricas (COV) aplicadas no R1 foram crescentes de 0,15 a 12,50 g DQOtotal (L d)-1. As melhores eficiências de remoção de DQOtotal e DQOdiss foram observadas com a aplicação de (COV) de 0,15 a 3,50 e 3,50 a 7,0 g DQOtotal (L d)-1, com a utilização da vinhaça como afluente, e foram de 55 e 51%, respectivamente, para o sistema (R1 + R2). Os maiores valores de produção volumétrica de metano foram de 0,205 e 0,365 L CH4 (L d)-1 e ocorreram com a aplicação de (COV) de 7,5 a 12,5 e de 6,5 a 11,3 g DQOtotal (L d)-1 utilizando como afluente a vinhaça, no R1 e R2, respectivamente. Os resultados demonstraram a possibilidade de tratamento anaeróbio termofílico de vinhaça em reatores UASB, com boa remoção de DQO e após a adaptação, aumento na produção volumétrica de metano e na porcentagem de metano presente neste biogás. As eficiências de remoção foram de 37 e 70% para o nitrogênio kjeldahl (NK) e fósforo total, respectivamente, não evidenciando reduções elevadas das concentrações desses nutrientes. Portanto, mantendo a qualidade de fertilizante do efluente tratado e nesse caso ate melhorando, em virtude de suplementação com N e P / An adaptation of mesophilic inoculum for thermophilic anaerobic conversion of vinasse sugarcane, in two UASB reactors installed in series R1 and R2 was initially assessed. In the sugarcane off-season we evaluate the use of sugarcane molasses and again vinasse to produce methane. The reactors were maintained at the controlled temperature of 55 ° C and operated for 387 days. The organic loading rate (OLR) applied in R1 were increased from 0.15 to 12.50 g CODtotal (L d)-1 .The best removal efficiencies of CODtotal and CODdiss were observed with and applying (OLRs) from 0.15 to 3.50 and 3.50 7.0 g CODtotal (L d)-1, using a vinasse as influent and were 55 and 51%, respectively, for the system (R1 + R2). The higher values of volumetric methane production, were 0.205 and 0.350 L CH4 (L d)-1 and occurred with application of (OLRs) from 7.5 to 12.5 and 6.5 to 11.3 g CODtotal (L d)-1 using vinasse as influent on R1 and R2, respectively. The results demonstrated the possibility of thermophilic anaerobic treatment of vinasse in UASB reactors, with good removal of COD and after start up, increased volumetric methane production and methane percentage present in this biogas. Fertilizer quality of this effluent was obtained due of low concentration reduction of nutrients, were 37 and 70% removal efficiencies for Kjeldahl nitrogen (NK) and total phosphorus, respectively, possibly because N and P supplementation

Resumo: Das emissões resultantes do processo de tratamento e disposição de resíduos em aterros, a mais significativa, é o líquido lixiviado. Sua composição complexa exige processos de tratamento criteriosos para não causar impacto ao meio ambiente, bem como atender aos limites preconizados na legislação, sendo este um importante desafio enfrentado pelas empresas de tratamento de resíduos. Este trabalho objetivou verificar a possibilidade de melhorar a qualidade do efluente tratado de aterro, testando a substituição do sistema de decantação e sistema de tratamento físico-químico, por uma unidade de membranofiltração associada ao tratamento biológico por lodos ativados. Para avaliar esta possibilidade, uma planta piloto de ultrafiltração foi instalada numa estação de tratamento de efluente de aterro, situada na cidade de Blumenau, Estado de Santa Catarina, Brasil. Nesta, foram coletadas amostras periódicas e monitorados principalmente os parâmetros cor, DQO, turbidez, e toxicidade. Os ensaios apresentaram reduções em média de 80% para o parâmetro cor, 73% para DQO e 99% para turbidez. Dentre os custos apropriados, o consumo de energia elétrica foi o mais expressivo. Não houve formação de subprodutos ou permanência de residuais no efluente tratado. De acordo com os resultados obtidos, o processo de separação por membranas mostrou-se tecnicamente viável para implantação na estação de tratamento de efluente de aterro estudada.