Global variables play a key role in evaluation of the performance of pneumatic bioreactors and provide criteria to assist in system selection and design. The purpose of this work was to use experimental data and computational fluid dynamics (CFD) simulations to determine the global performance parameters gas holdup ([Formula: see text]) and volumetric oxygen transfer coefficient (k L a), and conduct an analysis of liquid circulation velocity, for three different geometries of pneumatic bioreactors: bubble column, concentric-tube airlift, and split tube airlift. All the systems had 5 L working volumes and two Newtonian fluids of different viscosities were used in the experiments: distilled water and 10 cP glycerol solution. Considering the high oxygen demand in certain types of aerobic fermentations, the assays were carried out at high flow rates. In the present study, the performances of three pneumatic bioreactors with different geometries and operating with two different Newtonian fluids were compared. A new CFD modeling procedure was implemented, and the simulation results were compared with the experimental data. The findings indicated that the concentric-tube airlift design was the best choice in terms of both gas holdup and volumetric oxygen transfer coefficient. The CFD results for gas holdup were consistent with the experimental data, and indicated that k L a was strongly influenced by bubble diameter and shape.

RESUMOA retenção gasosa global e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio são parâmetros de desempenho usados como critérios para o projeto e aumento de escala de biorreatores pneumáticos. Considerando a importância dos biocombustíveis no cenário energético e os recentes avanços da fluidodinâmica computacional (CFD: Computational Fluid Dynamics), o presente trabalho objetivou a estimativa por CFD dos parâmetros globais de desempenho citados, em duas geometrias de biorreatores pneumáticos de circulação interna de 5 L. Empregou-se como meio líquido, solução de goma xantana 2,0 g/L, um fluido não-Newtoniano com reologia similar a de um típico caldo de cultivo de microrganismo filamentoso utilizado na produção enzimas utilizadas na cadeia de produção de biocombustíveis. Foi adotado o pacote comercial ANSYS FLUENT 14.5 ® para a realização das simulações numéricas, implementando-se para tal fim um modelo euleriano multifásico para o sistema goma xantana-ar. Os resultados simulados foram comparados com dados experimentais de literatura, verificando-se boa concordância entre os valores obtidos pelas simulações em CFD e experimentais. INTRODUÇÃOBiorreatores ou reatores bioquímicos são equipamentos que fornecem um ambiente adequado para a produção de um biocomposto de valor agregado que é resultante da atividade catalítica de enzimas ou da rota metabólica de células e microrganismos como fungos e bactérias. Esses equipamentos operam mantendo valores de pH, temperatura, concentração de nutrientes e de oxigênio dissolvido a fim de que o produto de interesse seja gerado satisfatoriamente.Os biorreatores pneumáticos são caracterizados pela ausência de partes móveis, tornando desnecessária a presença de trabalho de eixo para promover a mistura do sistema fermentativo. A homogeneização do meio é feita exclusivamente através da injeção de gás, em geral ar ou ar enriquecido com oxigênio em cultivos aeróbios. Essa injeção é realizada por via de um aspersor localizado na base da coluna. Em comparação com o modelo convencional tipo tanque agitado e aerado, esta modalidade de biorreator, é capaz de transferir oxigênio com menor consumo de energia, além de facilitar fatores relacionados à implementação do sistema, como o projeto, construção e aumento de escala.Enquanto um biorreator pneumático do tipo coluna de bolhas opera exclusivamente com a gaseificação do meio de cultivo, os modelos de circulação interna (airlift) são projetados para que o fluido recircule pelo sistema, facilitando a homogeneização.