Cultivo em estado sólido em biorreator de tambor horizontal: modelagem, simulação e experimentação - Tada, Érika Fernanda Rezendes (2020)
Esta tese apresenta um estudo sobre modelagem a uma fase de leitos estáticos em tambores horizontais construídos para cultivo sólido. Para tanto, balanços de massa foram propostos para leitos isotérmicos sem reação, seguidos de balanços de calor e massa para três dimensões de tambor: 10, 20 e 31 cm de diâmetro e 20, 40 e 74 cm de comprimento, respectivamente. Vazões de ar seco de 5 e 50 L/min foram assumidas para leitos compostos por sílica gel e por fibras de bagaço de cana. Balanços para a fase gasosa escoante foram também propostos e solucionados simultaneamente aos balanços para o leito. Propriedades efetivas de transporte foram determinadas experimentalmente e/ou calculadas. A convergência entre a difusividade efetiva de água em leito de bagaço de cana sugere sua representação preferencialmente através da dependência da umidade de partículas em ensaios com duração superior a dez horas. Para ensaios relativamente curtos, a dependência do parâmetro em relação à posição radial pode ser suficiente. Uma análise de Número de Biot modificado foi apresentada para transporte de massa adotando-se um fator de correção referente à posição no leito. Em sistemas isotérmicos, o transporte de massa é governado pela resistência interna a 50 L/min principalmente nos primeiros instantes de ensaio, evoluindo para resistências equivalentes ao longo do tempo; a resistência externa ao transporte de massa é predominante a 5 L/min. Balanços de calor e massa requereram as condutividades térmicas efetivas dos leitos de partículas, extraída da literatura para o leito de bagaço de cana e determinada experimentalmente com dependência explícita da temperatura e da umidade das partículas para o leito de sílica gel. Correlações foram utilizadas para estimativa das condutividades térmicas efetivas, obtendo-se bons resultados para o leito de sílica e resultados confiáveis apenas para uma faixa de umidade de partículas em leito de bagaço de cana, correspondente a até 0,43 kg/kg de sólido seco. Balanços de massa e energia para a fase gasosa no sobre espaço foram acoplados à solução dos balanços para o leito de partículas. Dentro dos três tambores, a temperatura do gás no sobre espaço pode ser assumida constante a 45 ºC, o gás não deixa os tambores em condição de saturação e perfis axiais de umidade são desenvolvidos. Quanto à transferência de calor em sistemas não isotérmicos, a parede do tambor é a principal fronteira através da qual o calor é transferido e as resistências internas ao transporte de calor são desprezíveis em tambor de 10 cm de diâmetro. O número de Biot de massa modificado foi calculado também para os sistemas não-isotérmicos e acusou ausência de resistências externas somente em leito de sílica gel para todos os tamanhos de tambores em vazão de 50 L/min. Nos demais leitos, tambores e vazões, resistências equivalentes governaram o transporte de massa. Os balanços de calor e massa foram adicionados de um termo que representa a geração de calor pelo microrganismo e foram validados utilizando-se a cinética de liberação de gases pelo fungo Myceliophthora thermophila l-1D3b em leito de bagaço de cana e farelo de trigo com suprimento de ar a 5 L/min e 96 e 75 % de umidade relativa, cujos picos de temperatura foram observados em 28 e 42 horas, respectivamente. Durante o cultivo, o controle de temperatura foi eficiente apenas em tambor com 10 cm de diâmetro, com elevações de temperatura de aproximadamente 3,5 e 7 ºC em tambores com 20 e 31 cm de diâmetro, respectivamente. Em tambor médio, mais intensa atividade metabólica foi observada quando gás foi inserido a 96 % de UR. As atividades enzimáticas de endoglucanase não foram afetadas pelos aumentos de temperatura, mas pelo ressecamento do leito. A temperatura do gás se aproximou da temperatura da superfície em todos os tambores e calor permaneceu acumulado no leito em tambor de 31 cm de diâmetro ainda ao final do cultivo. A boa concordância entre os perfis experimentais e fornecidos pelos modelos afirmam a sua aplicabilidade na predição de variáveis de interesse e podem ser empregados em estudos de aumento de escala de biorreatores para cultivo sólido.