Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2016-10-10T12:43:24Z No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-10-11T20:34:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-10-11T20:35:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-11T20:42:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseGYR.pdf: 8156092 bytes, checksum: 727d9cd338ae7ed90fe24238b42228bd (MD5) Previous issue date: 2015-03-25 / Outra / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Pneumatic bioreactors are devices free of moving parts which have the purpose of converting raw materials in bio-products of commercial interest by the action of enzymes or cells. They are promising in the biochemical industry, ensuring good oxygen transfer and consuming less energy. Global performance parameters such as global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient are important criteria in the design and selection among different geometries of the mentioned devices. In the present work it was carried out modeling and simulation of pneumatic bioreactors based on Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to estimate the global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient in three different geometries of pneumatic bioreactors: bubble column, concentric tube airlift and split tube airlift. The simulated results of each performance parameter were verified by comparison with the experimental values reported by Thomasi et al. (2010) and Mendes and Badino (2015) for the fluids distilled water, glycerol solution 10 cP and xanthan gum solution 0.2% w/v (weight/volume) in a wide range of specific air flow rate (0 to 5 min- 1). Application suite ANSYS® 14.5 was used for numerical simulations in CFD. Important parameters such as the bubble diameter played a great influence on results of the volumetric oxygen transfer coefficient. It can be observed by the experimental and simulated results that the concentric tube airlift bioreactor was the best alternative to the global gas hold up and the volumetric oxygen transfer coefficient (reaching 14% and 0.06 s-1 for distilled water, respectively). It was found that the results obtained via the CFD agreed with the majority trend of experimental data, capturing the most important hydrodynamic phenomena and mass transfer characteristics, showing that the modeling of different systems with different fluids fulfilled the main objective of obtaining reliable models design and performance of other geometries of pneumatic bioreactors. / Os biorreatores pneumáticos são equipamentos industriais isentos de partes móveis que têm a finalidade de converter matérias-primas em bioprodutos de interesse comercial pela ação de enzimas ou células. São promissores na indústria bioquímica, pois garantem boa transferência de oxigênio consumindo menos energia. Parâmetros globais de desempenho, como a retenção gasosa global e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio são critérios importantes no projeto e seleção entre geometrias diferentes dos equipamentos mencionados. No presente trabalho foi realizada a modelagem e a simulação de biorreatores pneumáticos baseada na Fluidodinâmica Computacional (CFD - Computational Fluid Dynamics) de forma a estimar a retenção gasosa global e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio em três geometrias distintas: coluna de bolhas, airlift de cilindros concêntricos e airlift split. Os resultados simulados de cada parâmetro de desempenho foram verificados comparando-se com os valores experimentais reportados nos trabalhos de Thomasi et al. (2010) e Mendes e Badino (2015) para os fluidos água destilada, solução de glicerol 10 cP e solução de goma xantana 0,2% m/v (massa/volume) e vazão de alimentação específica de ar numa ampla faixa (0 a 5 min-1). Foi empregada a suíte de aplicativos ANSYS® 14.5 para as simulações numéricas em CFD. Parâmetros importantes, como o diâmetro de bolha, exerceram grande influência nos resultados referentes ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio. Destaca-se, pelos resultados experimentais e simulados, que o biorreator pneumático do tipo airlift de cilindros concêntricos apresentou-se como a melhor alternativa para a retenção gasosa global e para o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (atingindo 14% e 0,06 s-1 para a água destilada, respectivamente). Verificou-se que os resultados obtidos via CFD concordaram com a tendência majoritária dos dados experimentais, capturando os fenômenos mais relevantes das características hidrodinâmicas e da transferência de massa, mostrando que a modelagem dos diferentes sistemas com diferentes fluidos atendeu ao principal objetivo de obter modelos confiáveis para o projeto e comparação de desempenho de outras geometrias de biorreatores pneumáticos. / CNPq: 478472/2011-0 / CNPq: 140466/2011-8

Submitted by Izabel Franco (izabel-franco@ufscar.br) on 2016-10-05T19:18:20Z No. of bitstreams: 1 TeseCEMac.pdf: 12049463 bytes, checksum: acd65707762e60b912f35a2d267ad5b7 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T13:40:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCEMac.pdf: 12049463 bytes, checksum: acd65707762e60b912f35a2d267ad5b7 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T13:41:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCEMac.pdf: 12049463 bytes, checksum: acd65707762e60b912f35a2d267ad5b7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-20T13:41:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseCEMac.pdf: 12049463 bytes, checksum: acd65707762e60b912f35a2d267ad5b7 (MD5) Previous issue date: 2016-04-26 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Due to the high capacity of oxygen transfer and versatility, pneumatic reactors have been constantly used in bioprocesses. However, aiming to expand the use of these bioreactors in the industry, as well as increase the understanding of the complex phenomena that occur in these devices, this thesis aimed to evaluate the hydrodynamic, oxygen transfer and shear conditions in three models of pneumatic reactors (bubble column, concentric-tube airlift and split-cylinder airlift) in the scales of 5 and 10 L, using as liquid phase four Newtonian fluids and eight non-Newtonian fluids, and five specific air flow rate (air of 1 to 5 vvm). Related to the hydrodynamic were studied the global gas hold-up (g), the gas hold-ups in the riser (R) and in the downcomer (D), liquid circulation time (tC), superficial liquid velocity in the riser (ULR) and in the downcomer (ULD), and the percentage energy losses in the riser (%ER+%EFR), in the downcomer (%ED+%EFD), and in the bottom (%EB) of airlift reactors. The values of g, R, D, ULR and ULD showed increasing behaviour with increase of air and decreasing behaviour with the kinematic liquid viscosity (L) and the rheologic properties (K e n), and observed the opposite for tC. The higher values of g, R, D and tC were obtained for concentric-tube airlift reactor (ACC) and scale of 10 L. With exception of ULR of Newtonian fluids, the others liquid velocity tests resulted in higher values for split-cylinder airlift reactors (ASC) and scale of 10 L. This result was attributed to the greater driving force (R-D) to liquid circulation obtained in the ASC reactors and the higher energy losses in the riser and in the downcomer observed in the ACC reactors. In the bottom of the airlift reactors, the higher values of %EB were obtained to the ASC reactor. To evaluate the mass transfer were studied, the average bubble diameter (Db), the volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) and the terms that compose the kLa, the convective mass transfer coefficient (kL) and the specific interfacial area of mass transfer (aL). With the increase of air, L, K and n, the air bubbles were predominantly coalescent in water, presenting distorted shape, and non-coalescent with spherical/elliptical shape in the other solutions. It was observed a similar behavior between the kLa and aL parameters, which were directly proportional to the air and inversely proportional to the L, K and n. In water, the aL values were lower than glycerol solutions due to the higher Db values observed in this liquid. For the kL, it was observed a decreasing behaviour with the increase of the air in the most solutions. The magnitude of kL values was due mainly the oxygen difusivity in the liquid, and the higher values were observed to the water, following by the non-Newtonian solutions. In general, the higher values of the mass transfer parameters were obtained in the ACC reactor and in the scale of 10 L. The proposed method to the estimate the average shear rate velocity based on Kolmogorov’s theory of isotropic turbulence showed results consistent with the literature relative to the behavior and magnitude of this variable, as well as the results obtained by the analysis of the morphological changes of Streptomyces clavuligerus in two models of airlift reactors and two aeration conditions. Were proposed correlations to predict all evaluated parameters. Were obtained in all cases a good fit with the experimental data, with deviations between the calculated and experimental values below 20%. / Devido à alta capacidade de transferência de oxigênio e versatilidade, reatores pneumáticos têm sido constantemente utilizados em bioprocessos. Entretanto, visando ampliar a utilização destes reatores na indústria, assim como aumentar a compreensão dos fenômenos complexos que ocorrem nestes dispositivos, na presente tese teve-se como objetivo avaliar as condições hidrodinâmicas, de transferência de oxigênio e de cisalhamento em três modelos de reatores pneumáticos (coluna de bolhas, airlift de cilindros concêntricos e airlift split-cylinder) nas escalas de 5 e 10 L, utilizando como fase líquida quatro fluidos newtonianos e oito fluidos nãonewtonianos e cinco vazões específicas de ar (ar de 1 a 5vvm). Em termos hidrodinâmicos foram estudadas as retenções gasosas global (g), no riser (R) e no downcomer (D), tempo de circulação do líquido (tC), velocidade superficial do líquido no riser (ULR) e no downcomer (ULD) e as perdas percentuais de energia no riser, no downcomer e na base (%EB) de reatores airlift. Os valores de g, R, D, ULR e ULD apresentaram comportamento crescente com o aumento de ar e decrescente com a viscosidade cinemática do líquido (L) e propriedades reológicas (K e n), sendo observado o oposto para tC. Os maiores valores de g, R, D e tC foram obtidos em reator airlift de cilindros concêntricos (ACC) e escala de 10 L. Com exceção de ULR de fluidos newtonianos, os demais testes de velocidade do líquido resultaram em maiores valores nos reatores airlift split-cylinder (ASC) e escala de 10 L. Tal resultado foi atribuído a maior força motriz (R-D) para circulação do líquido obtida em ASC e às maiores perdas de energia no riser e no downcomer observadas em reatores ACC. Na base dos reatores, os maiores valores de %EB foram obtidos para reator ASC. Para avaliação da transferência de massa foram estudados o diâmetro da bolha (Db), o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) e os termos que o compõe, coeficiente convectivo de transferência de massa (kL) e área interfacial específica de transferência de massa (aL). Bolhas de ar, com o aumento de ar, L, K e n foram predominantemente coalescentes em água, apresentando formato distorcido e nãocoalescentes com formato esférico/elíptico nas demais soluções. Observou-se um comportamento análogo entre kLa e aL, com relação direta à ar e inversa à L, K e n. Em água, os valores de aL foram inferiores às soluções de glicerol em virtude do maior Db observado neste líquido. Para kL, observou-se um comportamento decrescente com o aumento de ar na maioria das soluções. A magnitude dos valores de kL obedeceu principalmente a difusividade do oxigênio no líquido, sendo os maiores valores observados para água, seguido das soluções não-newtonianas. De maneira geral, os maiores valores dos parâmetros de transferência de massa foram obtidos em reator ACC de 10 L. O método proposto para estimativa da taxa de cisalhamento com base na teoria de turbulência isotrópica de Kolmogorov apresentou resultados condizentes com a literatura em termos de comportamento e magnitude desta variável, assim como com os resultados obtidos pela análise das alterações morfológicas de Streptomyces clavuligerus em dois modelos de reatores airlift e duas condições de aeração. Para todos os parâmetros avaliados foram propostas correlações para sua predição, sendo obtidos em todos os casos bons ajustes aos dados experimentais com desvios inferiores à 20%. Palavras-chave: reatores pneumáticos, retenção gasosa, kLa, diâmetro da bolha, velocidade