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Modelagem, ajuste e validação experimental do processo de geração de hidrogênio via cultivo de microalgas em fotobiorreatores compactos

Orientador: Prof. Dr. José V. C. Vargas / Coorientador: Prof. Dr. André B. Mariano; Prof. Dr. Juan C. Ordonez / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 28/08/2017 / Inclui referências : f. 96-108 / Resumo: A presente tese de doutorado trata do desenvolvimento, ajuste e validação experimental de um modelo matemático geral em regime transiente para o gerenciamento da produção de hidrogênio derivado de microalgas, com dependência da temperatura e frações mássicas das microalgas, de oxigênio e gás carbônico do meio de cultivo. O código desenvolvido tem como base uma modelagem matemática e computacional que se utiliza dos princípios físicos presentes em Dinâmica Populacional, Cinética Química, Termodinâmica Clássica e correlações empíricas de Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor e Massa. Desta forma, gera-se um modelo matemático computacional composto de equações diferenciais ordinárias (EDO), cuja finalidade é descrever a evolução temporal de geração de hidrogênio em um sistema de cultivo de microalgas para fotobiorreatores (FBR) tubulares compactos a partir de dados iniciais conhecidos. O sistema EDO é resolvido utilizando o método de Runge-Kutta adaptativo de quarta ordem, e como solução são apresentados os perfis de concentração de gases (hidrogênio, oxigênio e gás carbônico), temperatura nos tubos transparentes do fotobiorreator e a fração mássica das microalgas. A discretização do domínio computacional e a modelagem matemática e numérica tem como base o método de elementos de volume (MEV). Uma expressão do tipo Michaelis-Menten é proposta para modelar a velocidade de produção de H2 com dependência da inibição pelo oxigênio e enxofre. O ajuste e validação experimental foram realizados com a obtenção experimental do hidrogênio a partir de algas verdes. Constatou-se que a taxa de produção máxima de hidrogênio para a microalga não mutante local Acutodesmus obliquus é 1,3 x 10-7 s-1, e para a espécie Chlamydomonas reinhardtii cepa cc125 é 4,1 x 10-7 s-1, sendo que os valores encontrados são 59 vezes e 19 vezes menores, respectivamente, que os publicados para a espécie mutante Chlamydomonas reinhardtii cepa cc849. Com os valores ajustados e validados, uma otimização termodinâmica do sistema apresenta um ritmo de processo ideal para um estágio anaeróbico de 11 dias e 13 horas. Consequentemente, após validação experimental para um sistema de produção de H2 em particular, é razoável estabelecer que o modelo possa ser usado como uma ferramenta eficiente para o projeto térmico, controle e otimização de sistemas FBR para máxima produção de H2. Palavras-chave: Modelo matemático. Bio-hidrogênio. Energia Sustentável / Abstract: This Ph.D. thesis deals with the development, adjustment and experimental validation of a general transient regime mathematical model for managing the production of hydrogen derived from microalgae, with dependence on temperature, and on the mass fraction of microalgae, oxygen and carbon dioxide of the culture medium. The software is based on a mathematical and computational model that uses physical principles present in Population Dynamics, Chemical Kinetics, Classic Thermodynamics and empirical correlations of Fluid Mechanics and Mass and Heat Transfer. Thus, it generates a computational mathematical model composed of ordinary differential equations (ODE), whose purpose is to describe the evolution of hydrogen generation in a microalgae cultivation system for compact tubular photobioreactors (FBR) from known initial data. The EDO system is solved using the adaptive Runge-Kutta method of fourth order, and the solution results on the gases concentration profiles (hydrogen, oxygen and carbon dioxide), the temperature at the transparent photobioreactor tubes and the mass fraction of microalgae. Discretization of the computational domain and the mathematical and numerical modeling are based on the volume element method (VEM). An expression of Michaelis-Menten type is suggested to model the H2 production rate in dependence of the inhibition by oxygen and sulfur. The adjustment and experimental validation were with the experimental hydrogen production from green algae. It was found that the maximum hydrogen production rate for the local non-mutant microalgae Acutodesmus obliquus is 1.3 x 10-7 s-1, and for species Chlamydomonas reinhardtii strain cc125 is 4.1 x 10-7 s-1, being these values 59 times and 19 times smaller, respectively, than the value published for the mutant species Chlamydomonas reinhardtii strain cc849. With the model adjusted and validated, a system thermodynamic optimization pinpoints the ideal process rhythm for an anaerobic stage of 11 days and 13 hours. Consequently, after experimental validation for H2 production system in this particular set, it is reasonable to establish that the model can be used as an efficient tool for the thermal design, control and optimization of FBR systems for maximum production of H2. Key-words: Mathematical Model. Biohydrogen. Sustainable Energy.

Identiferoai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/49167
Date January 2017
CreatorsDias, Fernando Gallego
ContributorsOrdonez, Juan Carlos, Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE, Vargas, José Viriato Coelho, Mariano, André Bellin
Source SetsIBICT Brazilian ETDs
LanguagePortuguese
Detected LanguagePortuguese
Typeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Format111 f. : il. algumas color., gráfs., tabs., application/pdf
Sourcereponame:Repositório Institucional da UFPR, instname:Universidade Federal do Paraná, instacron:UFPR
Rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
RelationDisponível em formato digital

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