Modelagem e validação de método computacional da etapa acidogênica do processamento de soro de leite em reator anaeróbio de leito fixo estruturado

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Nascimento, Thiago Ravanini do
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: CFD and ADM1; CFD e ADM1; Fermentação; Fermentation; Modelagem; Modelling
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18139/tde-27012023-085834/

Águas residuárias e subprodutos da indústria agroalimentar brasileira são mal geridos, no que diz respeito à possibilidade de recuperação energética e produção de compostos de valor agregado a partir da fração orgânica presente. Como exemplo, o soro de leite, subproduto da indústria de laticínios, pode ser aproveitado de várias formas, dentre elas, a produção biológica de hidrogênio e ácidos orgânicos por vias fermentativas, como as de alongamento de cadeia. Paralelamente, avanços computacionais permitem a representação de bioprocessos, buscando predizer eficiência, detectar falhas de projeto, propor condições operacionais e variar configurações de biorreatores. O presente trabalho busca validar um método computacional que comtemple um modelo biológico descrito por equações matemáticas que representem as etapas fermentativas de bateladas realizadas sobre a fermentação de soro de leite reconstituído. Para isso, utilizar-se-á simulações de Monte Carlo associadas a Cadeia de Markov (MCMC) para minimização de parâmetros cinéticos livres que irão compor o modelo biológico, contendo a rota da β-oxidação reversa, representativa do alongamento de cadeia, calibrando-se o modelo com dados da fermentação obtidos em batelada. Paralelamente foi concebido um modelo 3-D do reator anaeróbio de leito fixo estruturado (AnSTBR) em software comercial COMSOL Multiphysics®, no qual foram realizados estudos de fluidodinâmica computacional simulando a operação de um AnSTBR com os parâmetros obtidos nas bateladas, calibrando-se o modelo com dados experimentais. Por fim, propõe-se acoplar o ADM1 modificado ao modelo 3-D projetado, buscando representar computacionalmente a etapa fermentativa ocorrida no AnSTBR operado continuamente. Os modelos desenvolvidos para representar os experimentos em batelada apresentaram bons ajustes aos dados experimentais, principalmente os modelos com a proposta de reações de alongamento de cadeia, com ressalvas às simulações de biomassa. Os modelos de melhor ajuste foram implementados no software COMSOL Multiphysics®, porém mostraram resultados diferentes do esperado devido mal funcionamento das equações de pH. O modelo 3-D que representou o processo contínuo foi validado em relação a sua hidrodinâmica, porém por divergências de ativação de rotas metabólicas não se obteve bons ajustes aos dados experimentais, impossibilitando a validação do acoplamento das equações bioquímicas.