Avaliação numérico-experimental da hidrodinâmica e da transferência de oxigênio em biorreator coluna de bolhas utilizando fluidodinâmica computacional

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Silva, Ana Carolina Borges
Orientador(a): Bettega, Rodrigo lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20253
Resumo: Pneumatic bioreactors are increasingly employed in bioprocesses due to their effective heat and mass transfer, rapid mixing, and efficient suspension of solids. Computational Fluid Dynamics (CFD) has emerged as a key tool for studying transport phenomena in engineering equipment, utilizing conservation equations for momentum, energy, and mass to describe fluid dynamics. This study evaluates the hydrodynamics of a square-section bubble column bioreactor both experimentally and numerically through CFD simulations. Key parameters such as global gas holdup (αG), volumetric oxygen transfer coefficient (kLa), and mean (γAV) and maximum (γmax) shear rates are analyzed. Numerical simulations employ the Euler-Euler approach and vary bubble diameters (4, 5, and 6 mm) alongside specific air feed rates (1.0, 3.0, and 5.0 vvm), incorporating drag and lift interfacial forces. Following the selection of the optimal mathematical model, population balance equations (PBE) are integrated into the fluid dynamic model to predict bubble size distribution and assess the impact of breakage (Luo model) and coalescence (turbulent model) phenomena on air distribution and hydrodynamic parameters. These are compared with initial simulation results to refine the model. Simulated values of αG, kLa, γAV, and γmax is compared with experimental and literature data to validate the mathematical model and numerical approach. Results indicate that simulations incorporating lift forces closely match experimental outcomes, with the smallest bubble diameter (4 mm) yielding the highest parameter values. Notably, maximum shear rate (γmax) predictions show good agreement with semi-empirical correlations when considering interactions of breakage and coalescence. Adjusting the fluid dynamic model with PBE confirms accurate prediction of bubble size distribution and Sauter mean diameters within experimental ranges. The coupled CFD-PBM model, considering breakage and coalescence effects, provides superior predictions for gas retention and volumetric oxygen transfer coefficient compared to experimental values. For mean shear rate, the model aligns well with semi-empirical correlations, while maximum shear rate predictions maintain consistent order of magnitude when considering interaction effects.
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Computational Fluid Dynamics (CFD) has emerged as a key tool for studying transport phenomena in engineering equipment, utilizing conservation equations for momentum, energy, and mass to describe fluid dynamics. This study evaluates the hydrodynamics of a square-section bubble column bioreactor both experimentally and numerically through CFD simulations. Key parameters such as global gas holdup (αG), volumetric oxygen transfer coefficient (kLa), and mean (γAV) and maximum (γmax) shear rates are analyzed. Numerical simulations employ the Euler-Euler approach and vary bubble diameters (4, 5, and 6 mm) alongside specific air feed rates (1.0, 3.0, and 5.0 vvm), incorporating drag and lift interfacial forces. Following the selection of the optimal mathematical model, population balance equations (PBE) are integrated into the fluid dynamic model to predict bubble size distribution and assess the impact of breakage (Luo model) and coalescence (turbulent model) phenomena on air distribution and hydrodynamic parameters. These are compared with initial simulation results to refine the model. Simulated values of αG, kLa, γAV, and γmax is compared with experimental and literature data to validate the mathematical model and numerical approach. Results indicate that simulations incorporating lift forces closely match experimental outcomes, with the smallest bubble diameter (4 mm) yielding the highest parameter values. Notably, maximum shear rate (γmax) predictions show good agreement with semi-empirical correlations when considering interactions of breakage and coalescence. Adjusting the fluid dynamic model with PBE confirms accurate prediction of bubble size distribution and Sauter mean diameters within experimental ranges. The coupled CFD-PBM model, considering breakage and coalescence effects, provides superior predictions for gas retention and volumetric oxygen transfer coefficient compared to experimental values. For mean shear rate, the model aligns well with semi-empirical correlations, while maximum shear rate predictions maintain consistent order of magnitude when considering interaction effects.Biorreatores pneumáticos fazem parte de uma classe de reatores cada vez mais utilizada em bioprocessos, pois proporcionam transferências de calor e massa adequadas, rápida mistura e boa suspensão de sólidos. No estudo dos fenômenos de transferência em equipamentos de engenharia, a fluidodinâmica computacional (CFD- Computational Fluid Dynamic) vem se destacando, sendo resolvidas as equações de conservação de quantidade de movimento, energia e massa para descrever a fluidodinâmica do processo. Neste trabalho, a hidrodinâmica de um biorreator coluna de bolhas de seção quadrada foi avaliada experimentalmente e numericamente por meio de simulações CFD, sendo analisadas a retenção gasosa global (αG), o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) e as taxas de cisalhamento média (γm) e máxima (γmax). A resposta simulada foi comparada para diferentes diâmetros de bolhas de 4,5 e 6 mm considerando a abordagem Euler – Euler, e se utilizando nas simulações numéricas diferentes vazões específicas de alimentação de ar (1,0; 3,0 e 5,0 vvm) e as forças interfaciais de arrasto e sustentação. Após a definição do melhor modelo matemático, foram inseridas no modelo fluidodinâmico as equações de balanço populacional (EBP) para a distribuição de tamanhos de bolha e avaliação da influência de modelos que descrevem os fenômenos de quebra (modelo de Luo) e coalescência (modelo turbulento) na estrutura da distribuição de ar e nos parâmetros hidrodinâmicos. Estes últimos foram comparados aos resultados da melhor configuração encontrada nas primeiras simulações. Valores simulados de retenção gasosa global (αG), coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa), taxa de cisalhamento média (γm) e máxima (γmax), obtidos nas primeiras simulações, foram comparados com valores experimentais e da literatura com o intuito de definir o melhor modelo matemático e o procedimento numérico adequado. As simulações do modelo considerando a força de sustentação exibiram resultados mais próximos aos experimentais, sendo os maiores valores dos parâmetros analisados encontrados para o menor diâmetro de bolha (4 mm) empregado neste trabalho. Com relação à taxa de cisalhamento máxima (γmax), houve maior concordância entre os valores obtidos por CFD e estimados pela equação de proporcionalidade para as simulações que consideraram a força de sustentação. Após o ajuste do modelo fluidodinâmico, inseriram-se as equações de balanço populacional, sendo comparadas as interações de quebra e coalescência. A distribuição de tamanho de bolha demonstrou apresentou resultados dentro das faixas delimitadas para cada fase dispersa de ar, verificando-se o bom funcionamento do modelo, com diâmetros médios de Sauter dentro da faixa avaliada experimentalmente. O modelo acoplado CFD-PBM considerando os efeitos de quebra e coalescência apresentou a melhor previsão de resultados para a retenção gasosa e o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio, em relação aos valores experimentais. Para a taxa de cisalhamento média, este modelo demonstrou o melhor ajuste aos dados previstos por correlação semiempírica. Quanto à taxa de cisalhamento máxima (γmax), houve maior concordância entre os valores obtidos por CFD e estimados pela equação de proporcionalidade para as simulações em que as interações de quebra e coalescência foram consideradas, demonstrando a mesma ordem de grandeza.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)141149/2020-5porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBiorreator coluna de bolhasModelo de balanço populacionalHidrodinâmicaTransferência de oxigênioTaxa de cisalhamentoFluidodinâmica computacionalForça de sustentaçãoModelos de quebra e coalescênciaBubble column bioreactorPopulation balance modelHydrodynamicsOxygen transferShear rateComputational fluid dynamicLift forceCoalescence and breakage modelsENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICAAvaliação numérico-experimental da hidrodinâmica e da transferência de oxigênio em biorreator coluna de bolhas utilizando fluidodinâmica computacionalNumerical-experimental evaluation of hydrodynamics and oxygen transfer in bubble column bioreactor using computational fluid dynamicsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTTese_Versao_Final__Ana_Carolina_Borges_Silva.pdf.txtTese_Versao_Final__Ana_Carolina_Borges_Silva.pdf.txtExtracted texttext/plain103979https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/98fcf079-9754-434d-912f-64116f438d46/download21d76a517fb6306c3162910b6a7a96c2MD54falseAnonymousREADTHUMBNAILTese_Versao_Final__Ana_Carolina_Borges_Silva.pdf.jpgTese_Versao_Final__Ana_Carolina_Borges_Silva.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg5997https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1d022148-6566-4197-ac50-46dbeeffd487/downloadf0fc51c31313bf36a05f65c0d4aae8abMD55falseAnonymousREADORIGINALTese_Versao_Final__Ana_Carolina_Borges_Silva.pdfTese_Versao_Final__Ana_Carolina_Borges_Silva.pdfTese de doutoradoapplication/pdf5675203https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a9e4bced-c71a-4d5e-93c9-7ec4d49fc599/downloadfde260e2d601296911e7842bbe8e102fMD53trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3cc8df4a-59b4-4969-9cc1-88e8269e3019/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREAD2024-07-3120.500.14289/202532025-02-06 02:48:38.725http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/20253https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:48:38Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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