O presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência da intensidade de agitação e tipo de impelidor, bem como a estratégia de alimentação, em reator anaeróbio operado em batelada seqüencial, escala piloto (\'da ordem de\' 1 \'M POT.3\'), com agitação mecânica e em duas configurações: uma com biomassa granulada (ASBR) e outra com biomassa imobilizada em suporte inerte de espuma de poliuretano (ASBBR), aplicadas ao tratamento de esgoto doméstico. No estudo da intensidade de agitação e tipo de impelidor, para cada reator foram avaliadas três tipos de impelidores (turbina de pás planas, turbina de pás inclinadas 45º e hélice) associados a duas intensidades de agitação (40 e 80 rpm), obtendo uma combinação de 6 (seis) condições experimentais. A combinação da intensidade de agitação e tipo de impelidor que apresentou melhor desempenho no processo foi utilizado no estudo da estratégia de alimentação, na qual foi avaliada as seguintes condições: batelada alimentada durante 25%, 50%, 75% e 100% do ciclo. Os resultados obtidos permitiram concluir que: no ASBBR o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm permitiu uma melhoria nos fluxos de transferência de massa e, portanto, aumentou a velocidade de consumo de substrato; no ASBR o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm proporcinou uma desestabilização do sistema, provavelmente por causa da ruptura dos grânulos provocada pela maior agitação; os sistemas operados com impelidor do tipo hélice apresentaram vantagens, tais como: melhor eficiência de remoção de sólidos, maior valor da constante cinética de primeira ordem (melhor fluxo de transferência de massa e conseqüentemente maior consumo de substrato) e maior produção de alcalinidade, ou seja, maior estabilidade para o sistema; tanto o sistema ASBR como o ASBBR quando operados nas condições de batelada típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo apresentaram melhores desempenhos no processo de tratamento, mostrando a flexibilidade operacional dos reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais; e comparando os sistemas ASBBR e ASBR verificou-se que estes apresentaram comportamentos similares em todas as condições de operação de batelada alimentada avaliadas, não sendo possível, estatisticamente apontar um sistema com melhor desempenho. / The objective of this work was to assess the effect of the stirring speed, the type of impeller and the feed strategy in a mechanically stirred pilot-scale (\'da ordem de\' 1 \'M POT.3\') anaerobic sequencing batch reactor to two configurations: a containing granulated biomass (ASBR) and the other containing immobilized biomass (AnSBBR). Domestic wastewater was treated in 8-h cycles. Three impeller types (turbine with six-flat blades, turbine with six 45º-inclined blades and helix with three blades) were assessed at two different stirring speeds (40 and 80 rpm), totaling six experimental conditions. The stirring speed and the impeller that resulted in the best combination was used in work of the feed strategy . The reactors were operated at room temperature at four different feed strategies (fed batch during 25%, 50% and 75% of the cycle, and conventional fed-batch). The results allowed conclude that: in the AnSBBR increasing the stirring speed from 40 rpm to 80 rpm showed to improve mass transfer, with consequent increase in substrate consumption; in the ASBR increasing the stirring speed from 40 rpm to 80 rpm showed desestabilization in system, because of the disruption caused in the granules witth greater agitation; operation with the helix impeller showed some advantages over the turbine impellers, such as: improved efficiency in solids removal, higher value of the first order kinetic constant and higher alkalinity production; both for the ASBR as for the ASBBR the best performance in wastewater treatment was obtained when the reactors were operated at conventional batch, fed-batch during 50% and 75% of the cycle; no significant difference in performance was observed among these three conditions. Despite poor performance of the conventional fed-batch and fed-batch during 25% of the cycle compared to the other conditions, both these conditions presented operational stability. Hence, the anaerobic sequencing batch reactors presented operational flexibility as far as feed strategy is concerned.

The petroleum fuels are nonrenewable, are finites resources and its combustion produces many pollutants into the atmosphere. So, researches aiming alternative sources of energy have been increased. Vegetable oils seem to be a great alternative to produce biodiesel - a renewable fuel, non-toxic and releases fewer pollutants. The sunflower is a great oilseed for biodiesel production, because it can be planted in northeastern of Brazil during the rainy season. Biodiesel can be obtained by transesterification: reaction between vegetable and/or animal fat with shot chain alcohol in presence of catalyst. The aim of this work is to study the effect of the process variable in the production of biodiesel – agitation speed - and even equipment configuration, as characteristic impeller and presence or absence of chicanery in the reactor. For this, full factorial design 2 ³ was performed a resulting in eight experiments. The biodiesel was produced by the transesterification reaction from refined sunflower oil and anhydrous ethanol, and sodium hydroxide P.A. as catalyst. The following operating conditions were used: temperature of the thermostatic bath maintained at 70 °C; weight of catalyst of 1.5% by weight of oil; ratio between number of moles of oil ans ethanol of 1:10; and reaction time of 30 min. Prior to reaction, was performed to characterize the oil, as well as the characterization of biodiesel obtained after the reaction. It was observed that the presence of baffle contributed to obtain lower yields throughout the reaction. When used impeller 2 (turbine impeller with dimensions greater than those reported in the literature), higher yields were obtained at the beginning of the reaction. The stirring speed of 35o rpm contributed to higher yields were obtained at the beginning of the reaction. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os combustíveis derivados do petróleo são não-renováveis, são fontes finitas e sua combustão emite muitos poluentes para a atmosfera. Com isso, têm aumentado as pesquisas por fontes alternativas de energia. Os óleos vegetais parecem ser uma ótima alternativa para obtenção de biodiesel - um combustível renovável, não-tóxico e que libera menos poluentes. O girassol é uma oleaginosa com potencial utilização para produção de biodiesel, podendo ser plantada no Nordeste brasileiro no período chuvoso. O biodiesel pode ser obtido através da transesterificação: reação entre gordura vegetal e/ou animal com álcool de cadeia curta, na presença de catalisador. O objetivo do presente trabalho é estudar o efeito da variável de processo na produção do biodiesel – velocidade de agitação - e ainda configuração do equipamento, como: característica do impelidor e presença ou não de chicana no reator. Para isso, foi realizado um planejamento fatorial completo 2³, resultando em 8 experimentos. O biodiesel foi produzido por reação de transesterificação a partir de óleo de girassol refinado e etanol anidro, tendo-se hidróxido de sódio P.A. como catalisador. Foram utilizadas as seguintes condições operacionais: temperatura de reação de 70 ºC; relação entre a massa de catalisador e a massa do óleo de 1,5%; relação entre número de mols óleo/álcool etílico de 1:10; e, tempo total de reação de 30 min. Previamente à reação, foi realizada a caracterização do óleo, bem como, a caracterização do biodiesel obtido após a reação. Foi observado que a presença de chicana contribuiu para a obtenção de menores rendimentos durante toda a reação. Ao ser utilizado o impelidor 2 (impelidor tipo turbina com dimensões maiores que aquelas citadas na literatura) foram obtidos rendimentos mais elevados no início da reação. A velocidade de agitação de 350 rpm contribuiu para que fossem obtidos maiores rendimentos no início da reação.

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência da intensidade de agitação e tipo de impelidor, bem como a estratégia de alimentação, em reator anaeróbio operado em batelada seqüencial, escala piloto (\'da ordem de\' 1 \'M POT.3\'), com agitação mecânica e em duas configurações: uma com biomassa granulada (ASBR) e outra com biomassa imobilizada em suporte inerte de espuma de poliuretano (ASBBR), aplicadas ao tratamento de esgoto doméstico. No estudo da intensidade de agitação e tipo de impelidor, para cada reator foram avaliadas três tipos de impelidores (turbina de pás planas, turbina de pás inclinadas 45º e hélice) associados a duas intensidades de agitação (40 e 80 rpm), obtendo uma combinação de 6 (seis) condições experimentais. A combinação da intensidade de agitação e tipo de impelidor que apresentou melhor desempenho no processo foi utilizado no estudo da estratégia de alimentação, na qual foi avaliada as seguintes condições: batelada alimentada durante 25%, 50%, 75% e 100% do ciclo. Os resultados obtidos permitiram concluir que: no ASBBR o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm permitiu uma melhoria nos fluxos de transferência de massa e, portanto, aumentou a velocidade de consumo de substrato; no ASBR o aumento da intensidade de agitação de 40 rpm para 80 rpm proporcinou uma desestabilização do sistema, provavelmente por causa da ruptura dos grânulos provocada pela maior agitação; os sistemas operados com impelidor do tipo hélice apresentaram vantagens, tais como: melhor eficiência de remoção de sólidos, maior valor da constante cinética de primeira ordem (melhor fluxo de transferência de massa e conseqüentemente maior consumo de substrato) e maior produção de alcalinidade, ou seja, maior estabilidade para o sistema; tanto o sistema ASBR como o ASBBR quando operados nas condições de batelada típica, batelada alimentada durante 50% e 75% do ciclo apresentaram melhores desempenhos no processo de tratamento, mostrando a flexibilidade operacional dos reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais; e comparando os sistemas ASBBR e ASBR verificou-se que estes apresentaram comportamentos similares em todas as condições de operação de batelada alimentada avaliadas, não sendo possível, estatisticamente apontar um sistema com melhor desempenho. / The objective of this work was to assess the effect of the stirring speed, the type of impeller and the feed strategy in a mechanically stirred pilot-scale (\'da ordem de\' 1 \'M POT.3\') anaerobic sequencing batch reactor to two configurations: a containing granulated biomass (ASBR) and the other containing immobilized biomass (AnSBBR). Domestic wastewater was treated in 8-h cycles. Three impeller types (turbine with six-flat blades, turbine with six 45º-inclined blades and helix with three blades) were assessed at two different stirring speeds (40 and 80 rpm), totaling six experimental conditions. The stirring speed and the impeller that resulted in the best combination was used in work of the feed strategy . The reactors were operated at room temperature at four different feed strategies (fed batch during 25%, 50% and 75% of the cycle, and conventional fed-batch). The results allowed conclude that: in the AnSBBR increasing the stirring speed from 40 rpm to 80 rpm showed to improve mass transfer, with consequent increase in substrate consumption; in the ASBR increasing the stirring speed from 40 rpm to 80 rpm showed desestabilization in system, because of the disruption caused in the granules witth greater agitation; operation with the helix impeller showed some advantages over the turbine impellers, such as: improved efficiency in solids removal, higher value of the first order kinetic constant and higher alkalinity production; both for the ASBR as for the ASBBR the best performance in wastewater treatment was obtained when the reactors were operated at conventional batch, fed-batch during 50% and 75% of the cycle; no significant difference in performance was observed among these three conditions. Despite poor performance of the conventional fed-batch and fed-batch during 25% of the cycle compared to the other conditions, both these conditions presented operational stability. Hence, the anaerobic sequencing batch reactors presented operational flexibility as far as feed strategy is concerned.

Em um reator de fundo redondo e volume útil de 5 L tratando esgoto sintético com carga orgânica de 800 mgDQO.'L POT.-1' com biomassa granulada a influência do tipo de escoamento e velocidade rotacional foi investigada com o uso de cinco impelidores sendo eles turbina e pá de seis pás planas verticais, turbina e pá de seis pás planas inclinadas 45 graus e hélice, comumente aplicados em processos biológicos. Foi também investigada a viabilidade de implementação de tubo de tiragem ao reator em conjunto com os impelidores tipo hélice e tipo pá de pás planas inclinadas alternadamente, com vistas a melhorar a mistura e conseqüente transferência de massa no meio reacional. Os resultados mostram que a alteração do tipo de impelidor e as variações da velocidade rotacional não exerceram influência significativa sobre a estabilidade e desempenho dos sistemas estudados. Entretanto a análise das constantes do modelo cinético de primeira ordem mostrou que a alteração na velocidade rotacional exerceu influência de aumento dos valores das constantes, demonstrando com isto que o aumento da velocidade rotacional melhora a transferência de massa sólido-líquido no meio reacional. A análise das constantes cinéticas também demonstrou que a promoção de escoamento axial em reatores agitados mecanicamente é preferível ao escoamento radial quando comparados os impelidores tipo pá de pás planas verticais e de pás planas inclinadas. A presença do tubo de tiragem demonstrou incrementar significativamente a transferência de massa, através do aumento dos valores numéricos das constantes utilizadas no ajuste do modelo cinético de primeira ordem aos valores experimentais. A potência consumida foi inferior a 1,6.'10 POT.-3' HP/'M POT.3' com rotações abaixo de 200 rpm e os impelidores axiais consumiram 75% a menos de potência do que os radiais / The effect of flow type and rotor speed were investigated in a round-bottom reactor with 5 L useful volume containing granular biomass and treating synthetic wastewater with organic load of 800 mgCOD.'L POT.-1'. Five impellers have been used to this end, namely: turbine and paddle with six-vertical-flat blade, turbine and paddle with six-45 degrees-inclined-flat-blade and helix, commonly used in biological processes. Utilization of a draft tube together with the helix and six-alternately-inclined-flat-blade impellers was also assessed as a means to improve mixing and consequently mass transfer in the reaction medium. Results showed that altering impeller type and variation in rotor speed did not exert significant effect on the stability and performance of the investigated systems. However, analysis of the first order kinetic model constants showed that alteration in rotor speed resulted in increase in the values of the constants, demonstrating that increase in rotor speed improves solid-liquid mass transfer in the reaction medium. Analysis of the kinetic constants also showed that axial flow in mechanically stirred reactors is preferable over radial flow when the vertical flat blade impeller is compared to the inclined flat blade impeller. The presence of the draft tube showed significant improvement in mass transfer, which could be seen by the increase in the values of the constants used in the fit of the first order kinetic model to the experimental values. The power consumed was less than 1.6.'10 POT.-3' HP/'M POT.3' at rotor frequency below 200 rpm and the axial impellers consumed 75% less power than the radial ones

A análise de tensões em impelidores de ventiladores centrífugos pelo método dos elementos finitos revela que seus componentes são altamente solicitados e sujeitos a campos de tensões complexos. Tradicionalmente, o projeto estrutural de impelidores centrífugos é realizado a partir do cálculo das tensões estáticas provenientes da força centrífuga, e o comportamento dinâmico do impelidor é frequentemente verificado através de estudos de vibrações livres frente ao conhecimento das fontes de excitação. Por tal abordagem não é realizada qualquer avaliação quanto aos níveis de tensões dinâmicas nos componentes do impelidor. Neste trabalho, contudo, a determinação das tensões dinâmicas é apresentada como uma importante ferramenta para avaliar a integridade estrutural de um impelidor centrífugo durante a sua operação. Para tanto, cálculos de resposta são realizados no rotor e, isoladamente, no impelidor de um ventilador centrífugo, conduzindo a uma nova metodologia para a análise estrutural destes equipamentos através do método dos elementos finitos. / Stress analysis of centrifugal fan impellers through the finite element method reveals that its components are highly stressed and subjected to complex stress fields. Traditionally, the mechanical design of centrifugal impellers is performed from the study of the static stress levels due to the centrifugal force. The impeller dynamic behavior is evaluated through free vibration analysis and also with the knowledge of the main excitation sources. This approach does not consider any assessment on the dynamic response of the impeller components. In this work, however, the dynamic stress determination is presented as an important tool in order to evaluate the structural integrity of centrifugal fan impellers during its operation. For this purpose, frequency response analysis is performed on the rotor and, separately, on the centrifugal fan impeller, leading to a new methodology for structural analysis of these equipment through the finite element method.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6133.pdf: 10637138 bytes, checksum: 64ada7d9f618d8563b1dbee6ecf9ca2f (MD5) Previous issue date: 2013-09-30 / Universidade Federal de Sao Carlos / Due to owing to the nature of culture involving aerobic filamentous microorganisms, conventional aerated stirred-tank bioreactors using the Rushton turbine impeller are widely employed in order to achieve good mixing and oxygen mass transfer. However, this impeller presents disadvantages such as high power consumption, and generates higher shear in the medium, which can cause irreversible morphological changes in microorganisms, damaging the culture performance. In literature, impellers called "Elephant Ear" (EE), presented in down-flow (down-pumping) (EEDP) and up-flow (up-pumping) (EEUP) configurations, are indicated as suitable for cultivation of shear sensitive cells. However, this characteristic has never been demonstrated quantitatively. In the present study, the oxygen transfer and hydrodynamics parameters were evaluated and compared in a conventional aerated stirredtank bioreactor equipped with impellers as the classical impeller Rushton turbine (RT) and with EE in EEDP and EEUP modes. Firstly, prediction equations were obtained for quantifying the average shear rate (Ýav) in the different systems, as function of the operating conditions (600≤N≤1000 rpm and 0.40≤Ýavar≤1.2 vvm) and rheological properties of the pseudoplastic fluids (K and n), based on a methodology that uses the volumetric oxygen transfer coefficient as characteristic parameter. The values of Ýav obtained from the correlations for the RT impeller were within a range of values estimated from correlations of the literature, showing that the methodology utilized is valid. Based on correlations of Ýav and on results of power consumption, the energy dissipation and Kolmogorov micro-scale (micro eddy sizes) could be estimated. For non-Newtonian fluids, the RT and EEUP impellers generated micro-eddies with smaller sizes in the range from 45.0-127.0 and 80.6-123.7 μm, respectively, showing that the impellers RT and EEUP are more shear than EEDP impeller. Using the prediction equations of Ýav the effect of shear conditions in cultures of Streptomyces clavuligerus were evaluated in conventional bioreactor equipped with RT, EEDP and EEUP impellers at 800 rpm, 0.50 vvm and 30C. Profiles of the volumetric oxygen transfer coefficient and shear rate were obtained during the cultivation. The morphological changes resulted from shear conditions imposed for the different impellers were analyzed using image analysis technique. The RT and EEDP impellers imposed the highest oxygen transfer and smaller shear to the broth, respectively. The flow pattern generated by EE impellers was crucial at the beginning of the cultivation, and is highly beneficial when EEUP impeller were used, since it presented a controlled shear throughout the cultivation. The best cultivation condition for the clavulanic acid production was obtained using the EEUP impeller, which resulted in a maximum concentration of 453 mg/L and a consistency index K= 2.5 Pa.s0.27. The results suggested that the isolated hyphae are directly related to the K of the broth and clavulanic acid production. According to the rapid fragmentation of clumps and emergence of isolated hyphae, it was concluded that the RT impeller presents shear rates higher than the EEs impellers, since the size of branched and non-branched hyphae were smaller and in greater quantities. This fact shows an advantage in the EEUP impeller use in shear sensitive microorganism cultures that requiring high levels of oxygen, without affecting the process performance. This advantage is associated with the flow pattern generated for the EEUP impeller. / Devido à natureza dos caldos de cultivo envolvendo microrganismos filamentosos aeróbios, de modo de obter adequada transferência de oxigênio e homogeneização do meio são tradicionalmente empregados biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado utilizando o impelidor turbina de Rushton. Porém, esse impelidor apresenta desvantagens tais como o alto consumo de energia e elevado cisalhamento imposto ao meio, que pode provocar mudanças morfológicas irreversíveis aos microrganismos, prejudicando o rendimento dos cultivos. Na literatura especializada são indicados os impelidores denominados orelha de elefante ou Elephant Ear (EE), nas configurações de escoamento descendente (down-pumping) (EEDP) e de escoamento ascendente (up-pumping) (EEUP), como adequados para cultivos de células sensíveis ao cisalhamento. No entanto, esta caraterística nunca foi demostrada quantitativamente. No presente trabalho foram avaliados e comparados parâmetros de transferência de oxigênio e hidrodinâmicos em biorreator convencional tipo tanque agitado e aerado, equipado com impelidores como a clássica turbina de Rushton (TR) e com EE nas configurações EEDP e EEUP. Inicialmente foram obtidas equações de previsão para a quantificação da velocidade de cisalhamento média (Ýav Ýav) nos diferentes sistemas em função da frequência de agitação do impelidor e vazão especifica de ar e das propriedades reológicas de fluidos pseudoplásticos, com base em metodologia que utiliza o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio como parâmetro característico. Valores obtidos de Ýav para o impelidor TR pelas correlações obtidas ficaram dentro de uma faixa de valores estimados por correlações de literatura validando a metodologia empregada. Com base nas correlações de Ýav e nos resultados de consumo de potência, pode-se quantificar a dissipação de energia e a microescala de Kolmogorov (tamanho de micro-turbilhões). Para fluidos não-Newtonianos, os impelidores TR e EEUP geraram os menores micro-turbilhões com tamanhos nas faixas de 45,0-127,0 μm e de 80,6-123,7 μm, respectivamente, mostrando serem esses impelidores mais cisalhantes que o impelidor EEDP. Também com base nas equações de previsão de Ýav, foram avaliadas as influências das condições de transferência de oxigênio e de cisalhamento em cultivos de Streptomyces clavuligerus visando a produção de ácido clavulânico em biorreator convencional com os impelidores TR, EEDP e EEUP a 800 rpm, 0,50 vvm e 30C. A partir das amostras coletadas ao longo dos cultivos, foram obtidos perfis de kLa e de Ýav. Foram acompanhadas as mudanças morfológicas decorrentes das condições de cisalhamento impostas pelos diferentes impelidores mediante a técnica de análise de imagens. Os impelidores TR e EEDP impuseram, respectivamente, maiores e menores transferências de oxigênio e condições de cisalhamento ao caldo. A eficiência do padrão de escoamento gerado pelos impelidores EEs foi crucial nas primeiras horas do cultivo, sendo altamente benéfico quando utilizado o impelidor EEUP, o qual apresenta um cisalhamento controlado ao longo do cultivo. A melhor condição de cultivo em função da produção de ácido clavulânico foi obtida utilizando o impelidor EEUP obtendo uma produção máxima de 453 mg/L e índice de consistência K=2,5 Pa.s0,27. Os resultados sugerem que a quantidade de hifas isoladas está diretamente relacionada com o K do caldo e a produção de ácido clavulânico. De acordo com a rápida fragmentação de clumps e surgimento de hifas isoladas, conclui-se que o impelidor TR cisalha mais que os impelidores EE, isto é, pelos tamanhos das hifas ramificadas e não ramificadas que foram geradas em maiores quantidades e em menores dimensões. Tal fato mostra uma vantagem no uso do impelidor EEUP em cultivos de microrganismos sensíveis ao cisalhamento, e que necessitam de níveis superiores de oxigenação, não prejudicando o desempenho do processo. Estes resultados sugerem essa vantagem está associada ao padrão de escoamento imposto pelo impelidor EEUP.

A análise de tensões em impelidores de ventiladores centrífugos pelo método dos elementos finitos revela que seus componentes são altamente solicitados e sujeitos a campos de tensões complexos. Tradicionalmente, o projeto estrutural de impelidores centrífugos é realizado a partir do cálculo das tensões estáticas provenientes da força centrífuga, e o comportamento dinâmico do impelidor é frequentemente verificado através de estudos de vibrações livres frente ao conhecimento das fontes de excitação. Por tal abordagem não é realizada qualquer avaliação quanto aos níveis de tensões dinâmicas nos componentes do impelidor. Neste trabalho, contudo, a determinação das tensões dinâmicas é apresentada como uma importante ferramenta para avaliar a integridade estrutural de um impelidor centrífugo durante a sua operação. Para tanto, cálculos de resposta são realizados no rotor e, isoladamente, no impelidor de um ventilador centrífugo, conduzindo a uma nova metodologia para a análise estrutural destes equipamentos através do método dos elementos finitos. / Stress analysis of centrifugal fan impellers through the finite element method reveals that its components are highly stressed and subjected to complex stress fields. Traditionally, the mechanical design of centrifugal impellers is performed from the study of the static stress levels due to the centrifugal force. The impeller dynamic behavior is evaluated through free vibration analysis and also with the knowledge of the main excitation sources. This approach does not consider any assessment on the dynamic response of the impeller components. In this work, however, the dynamic stress determination is presented as an important tool in order to evaluate the structural integrity of centrifugal fan impellers during its operation. For this purpose, frequency response analysis is performed on the rotor and, separately, on the centrifugal fan impeller, leading to a new methodology for structural analysis of these equipment through the finite element method.

Em um reator de fundo redondo e volume útil de 5 L tratando esgoto sintético com carga orgânica de 800 mgDQO.'L POT.-1' com biomassa granulada a influência do tipo de escoamento e velocidade rotacional foi investigada com o uso de cinco impelidores sendo eles turbina e pá de seis pás planas verticais, turbina e pá de seis pás planas inclinadas 45 graus e hélice, comumente aplicados em processos biológicos. Foi também investigada a viabilidade de implementação de tubo de tiragem ao reator em conjunto com os impelidores tipo hélice e tipo pá de pás planas inclinadas alternadamente, com vistas a melhorar a mistura e conseqüente transferência de massa no meio reacional. Os resultados mostram que a alteração do tipo de impelidor e as variações da velocidade rotacional não exerceram influência significativa sobre a estabilidade e desempenho dos sistemas estudados. Entretanto a análise das constantes do modelo cinético de primeira ordem mostrou que a alteração na velocidade rotacional exerceu influência de aumento dos valores das constantes, demonstrando com isto que o aumento da velocidade rotacional melhora a transferência de massa sólido-líquido no meio reacional. A análise das constantes cinéticas também demonstrou que a promoção de escoamento axial em reatores agitados mecanicamente é preferível ao escoamento radial quando comparados os impelidores tipo pá de pás planas verticais e de pás planas inclinadas. A presença do tubo de tiragem demonstrou incrementar significativamente a transferência de massa, através do aumento dos valores numéricos das constantes utilizadas no ajuste do modelo cinético de primeira ordem aos valores experimentais. A potência consumida foi inferior a 1,6.'10 POT.-3' HP/'M POT.3' com rotações abaixo de 200 rpm e os impelidores axiais consumiram 75% a menos de potência do que os radiais / The effect of flow type and rotor speed were investigated in a round-bottom reactor with 5 L useful volume containing granular biomass and treating synthetic wastewater with organic load of 800 mgCOD.'L POT.-1'. Five impellers have been used to this end, namely: turbine and paddle with six-vertical-flat blade, turbine and paddle with six-45 degrees-inclined-flat-blade and helix, commonly used in biological processes. Utilization of a draft tube together with the helix and six-alternately-inclined-flat-blade impellers was also assessed as a means to improve mixing and consequently mass transfer in the reaction medium. Results showed that altering impeller type and variation in rotor speed did not exert significant effect on the stability and performance of the investigated systems. However, analysis of the first order kinetic model constants showed that alteration in rotor speed resulted in increase in the values of the constants, demonstrating that increase in rotor speed improves solid-liquid mass transfer in the reaction medium. Analysis of the kinetic constants also showed that axial flow in mechanically stirred reactors is preferable over radial flow when the vertical flat blade impeller is compared to the inclined flat blade impeller. The presence of the draft tube showed significant improvement in mass transfer, which could be seen by the increase in the values of the constants used in the fit of the first order kinetic model to the experimental values. The power consumed was less than 1.6.'10 POT.-3' HP/'M POT.3' at rotor frequency below 200 rpm and the axial impellers consumed 75% less power than the radial ones

Submitted by Luciana Sebin (lusebin@ufscar.br) on 2016-09-30T12:00:09Z No. of bitstreams: 1 DissMMB.pdf: 2553777 bytes, checksum: 21e951a2087a84913403141b819234c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T13:44:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissMMB.pdf: 2553777 bytes, checksum: 21e951a2087a84913403141b819234c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T13:44:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissMMB.pdf: 2553777 bytes, checksum: 21e951a2087a84913403141b819234c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-20T13:45:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissMMB.pdf: 2553777 bytes, checksum: 21e951a2087a84913403141b819234c7 (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / The type and operational conditions of a bioreactor chosen during the production phase of a product of interest affect not only the morphology and growth of filamentous microorganisms but also the product itself. Still the most common process to produce bioproducts is submerged cultures in conventional stirred and aerated bioreactors, with impeller of type six flat-blade turbine, or Rushton turbine (RT), which promotes good mixing and suitable oxygen transfer, but its power consumption is high and it causes high shear rate to the broth creating a hostile environment to the microorganisms. Alternatively, an impeller of the type “Elephant Ear” (EE) is shown in the literature as a “low shear” impeller, more suitable for the cultivation of shear sensitive microorganisms. This impeller creates a mixed flow (axial and radial) of broth with down flow (EEDP) or up (EEUP) depending on its geometry. This study aimed to evaluate the best association of impellers for filamentous fungi cultures in a conventional bioreactor. Initially the volumetric coefficient of oxygen transfer (kLa) and the power consumption of seven different association of impellers were evaluated. The results obtained the factorial design methodology showed that the associations EEDP-EEUP, RT-EEDP, and EEDP-RT, showed the best results regarding the oxygen transfer and the power consumption, being up to 87% more efficient than the standard RT-RT association. Two of the better performing association and the traditional (RT-RT) were selected to be evaluated regarding the shearing, by using empirical equations and the size of the eddies, evaluated by the Kolmogorov microscale. The association that showed higher values on the Kolmogorov scale and least shearing was EEDPEEUP, with shearing up to 60% lower than the RT-RT association. In the last step the effects of shear on the morphology of the fungi Aspergillus niger was evaluated. Short-term cultures (4h) were cultivated so that the cellular growth would not harm the analysis. The results showed that on the culture that used the EEDP-EEUP association the morphological form of cell clumps predominated, while on the culture that used the RT-RT association the morphological form of branched hyphae predominated, suggesting that the RT-RT association causes more shearing and can cause irreversible damage to the fungal cells. / O crescimento celular e a morfologia de microrganismos filamentosos, bem como o produto de interesse são afetados pelo modelo de biorreator e pelas condições de operação adotadas durante a etapa de produção. O processo mais adotado industrialmente para produção de bioprodutos ainda são os cultivos submersos em biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado, sendo o impelidor tipo turbina de seis pás planas ou turbina de Rushton (RT) o mais utilizado por promover boa mistura e adequada transferência de oxigênio, porém seu consumo de potência é alto além de impor alto cisalhamento ao caldo gerando um ambiente hostil ao microrganismo. Alternativamente, o impelidor tipo “orelha de Elefante” ou “Elephant ear” (EE) é apresentado na literatura como um impelidor de “baixo cisalhamento” mais adequado para o cultivo dos microrganismos sensíveis ao cisalhamento. Esse impelidor promove um escoamento misto (axial e radial) do caldo com escoamento para baixo (EEDP) ou para cima (EEUP) dependendo da sua geometria. O presente trabalho teve como objetivo avaliar as melhores associações de impelidores para cultivos de fungos filamentosos em biorreator convencional. Primeiramente sete diferentes associações foram avaliadas em relação ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) e consumo de energia. Os resultados obtidos utilizando a metodologia de planejamento experimental fatorial mostraram que as configurações EEDP-EEUP, RT-EEDP e EEDP-RT foram as que apresentaram melhores resultados em relação à transferência de oxigênio e consumo de potência, com eficiência até 87% superior à associação padrão RT-RT. Foram então selecionadas duas das associações de melhor desempenho e a tradicional (RT-RT) para serem avaliadas em relação ao cisalhamento, através de equações empíricas e em relação ao tamanho dos turbilhões, avaliado pela microescala de Kolmogorov. A associação que apresentou maiores valores para microescala de Kolmogorov e menor cisalhamento foi a EEDP-EEUP, com cisalhamento até 60% inferior que a observada quando utilizada a associação RT-RT. Na última etapa verificou-se os efeitos do cisalhamento na morfologia do fungo Aspergillus niger. Foram realizados cultivos de curta duração (4 h) para evitar que o crescimento celular prejudicasse a análise. Os resultados mostraram que no cultivo utilizando o sistema EEDP-EEUP predominou a forma morfológica de aglomerados celulares (clumps), enquanto que no cultivo com impelidores Rushton (RT-RT) predominou a forma morfológica de hifas ramificadas, sugerindo um cisalhamento mais intenso provocado por este sistema de agitação, que pode acarretar danos irreversíveis às células fúngicas.