Estimativa De Parâmetros Globais De Desempenho Em Biorreatores Pneumáticos De Circulação Interna Operando Com Fluido Não-Newtoniano Por Fluidodinâmica Computacional

Abstract

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.

Introduction to computational fluid dynamics in airlift bioreactors for ethanol production: a review

“…In this step, the software reads the data file generated in the pre-processing and solves the governing equations (RODRIGUEZ, 2015). The resolution is obtained using discretization techniques: finite differences, finite elements, finite volumes, and spectral methods (ANSONI, 2015).…”