Modelagem e simulação cfd da hidrodinâmica e transferência de massa em um biorreator coluna de bolhas para a produção da levedura Saccharomyces cerevisiae em batelada alimentada

dc.contributor.advisor-co1Badino Junior, Alberto Colli
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6244428434217018
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8350-9846
dc.contributor.advisor1Béttega, Rodrigo
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1379682125857376
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-5647-5385
dc.contributor.authorAlves, André Luís Rosário
dc.contributor.authorlatteshttps://lattes.cnpq.br/3126443118975699
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-7685-9100
dc.contributor.refereeEsperança, Mateus Nordi
dc.contributor.refereeSilva, Ana Carolina Borges
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7010012819835496
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/1905711299836661
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0002-1559-2294
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0003-4599-5956
dc.date.accessioned2026-03-20T13:04:50Z
dc.date.issued2026-02-23
dc.description.abstractEthanol is the world’s main biofuel and is predominantly produced via the fermentative conversion of biomass. In Brazil, ethanol production relies mainly on sugarcane and requires, among other inputs, high yeast concentrations. However, this process is constrained by the Crabtree effect, i.e., the conversion of sugars into ethanol even under aerobic conditions. Therefore, continuous oxygen transfer and sugar concentration control are required. In this context, pneumatic reactors, particularly bubble column reactors, are suitable due to their high oxygen transfer efficiency. To quantify oxygen transfer, a bubble column reactor was simulated using computational fluid dynamics (CFD) with Ansys® tools. Reactor hydrodynamics were analyzed by assessing the inclusion of the turbulent dispersion force in a model already accounting for interphase drag. Gas holdup and interphase slip velocity were compared for three different computational meshes. After mesh selection, two scenarios were investigated: case 1, considering only drag force; and case 2, considering both drag and turbulent dispersion forces. The inclusion of turbulent dispersion improved agreement between simulated and experimental gas holdup and volumetric oxygen transfer coefficient, both qualitatively and quantitatively, whereas case 1 progressively deviated from experimental data. Slip velocity profiles were similar for both cases at all air flow rates, and maximum values were nearly identical regardless of flow rate. In case 1, air-phase velocity was concentrated in the column core, while the liquid phase exhibited higher velocities near the wall. In case 2, this behavior resulted from a proportional reduction in the maximum velocities of both phases. Yeast cultivation modeling for Saccharomyces cerevisiae was carried out assuming a fed-batch operation with exponential feeding and constant kLa, based on CFD results. The simulations showed that the use of pure oxygen increased cell concentration and productivity. The effect of operating pressure was also evaluated, indicating that at 2 atm the minimum desired cell concentration was achieved for specific growth rates of 0.1 and 0.2 h⁻¹.eng
dc.description.resumoO etanol é o principal biocombustível mundial, produzido majoritariamente pela via fermentativa de biomassas. No Brasil, sua produção ocorre sobretudo a partir da cana-de-açúcar, exigindo, entre os insumos, altas concentrações de leveduras. Contudo, esse processo é limitado pelo efeito Crabtree, isto é, a fermentação de açúcares em álcool mesmo sob condições aeróbias. Assim, torna-se necessário promover a transferência contínua de oxigênio e controlar a concentração de açúcares. Para esse fim, podem ser utilizados reatores pneumáticos, especialmente os do tipo coluna de bolhas, que apresentam elevado desempenho na transferência de oxigênio. Para estimar essa transferência, um reator de coluna de bolhas foi simulado por fluidodinâmica computacional (CFD), utilizando ferramentas do pacote Ansys. Analisou-se a hidrodinâmica do reator, avaliando-se a inclusão da força de dispersão turbulenta em um modelo que já considerava a força de arrasto entre fases. Compararam-se as respostas de retenção gasosa e de velocidade de deslizamento entre fases para três diferentes malhas. A partir da definição da malha, investigaram-se dois cenários: caso 1, apenas com força de arrasto; e caso 2, com arrasto e dispersão turbulenta. Observou-se que a inclusão da dispersão turbulenta levou os resultados de retenção gasosa e do coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio a se aproximarem dos valores experimentais, tanto qualitativa quanto quantitativamente, ao contrário do caso 1, cujos resultados se distanciaram progressivamente do experimental. As velocidades de deslizamento apresentaram perfis semelhantes entre os casos 1 e 2 em todas as vazões de ar, e os valores máximos foram praticamente idênticos, independentemente da vazão. No caso 1, a velocidade da fase ar permanece concentrada na região central, enquanto a fase água apresenta maior velocidade próxima à parede. Por outro lado, no caso 2, esse comportamento resulta de uma redução proporcional das velocidades máximas entre as fases ar e água. A modelagem do cultivo da levedura Saccharomyces cerevisiae foi realizada considerando um processo em batelada alimentada com vazão exponencial, assumindo-se o kLa constante, baseado no resultado obtido por CFD. Os resultados indicaram que o uso de oxigênio puro promoveu aumento da concentração celular e da produtividade. Avaliou-se também o efeito da pressão de operação, observando-se que, a 2 atm, a concentração celular mínima desejada foi atingida para as velocidades específicas de crescimento de 0,1 e 0,2 h⁻¹.
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipId2024/11387-8
dc.description.sponsorshipId2025/19002-0
dc.description.sponsorshipId001
dc.identifier.citationALVES, André Luís Rosário. Modelagem e simulação cfd da hidrodinâmica e transferência de massa em um biorreator coluna de bolhas para a produção da levedura Saccharomyces cerevisiae em batelada alimentada. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23799.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/23799
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.rightsAttribution-NonCommercial 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/br/
dc.subjectHidrodinâmica
dc.subjectFluidodinâmica computacional
dc.subjectColuna de bolhas
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.ods7. Energia limpa e acessível
dc.titleModelagem e simulação cfd da hidrodinâmica e transferência de massa em um biorreator coluna de bolhas para a produção da levedura Saccharomyces cerevisiae em batelada alimentada
dc.title.alternativeCfd modeling and simulation of hydrodynamics and mass transfer in a bubble column Bioreactor for Saccharomyces cerevisiae production under fed-batchoOperationeng
dc.typeDissertação

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