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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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/7814 |
| Date | 25 March 2015 |
| Creators | Rodriguez, Guilherme Youssef |
| Contributors | Badino Júnior, Alberto Colli, Béttega, Rodrigo |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Câmpus São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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