Modelagem e simulação de processo de geração de hidrogênio via cultivo de microalgas em fotobiorreatores compactos

Abstract

Resumo : Um modelo matemático geral em regime transiente para o gerenciamento da produção de hidrogênio derivado de microalgas, com dependência da temperatura do meio de cultivo é desenvolvido. A ferramenta permite a determinação das distribuições de temperaturas, umidades relativas, e frações mássicas resultantes para o sistema como um todo. Para tanto, o modelo físico simplificado combina princípios de Termodinâmica clássica, Transferência de Calor, Massa e Espécies, resultando em um sistema de equações diferenciais que são discretizadas no espaço usando um esquema tridimensional de volumes finitos com células centradas. Uma expressão do tipo Michaelis-Menten é proposta para modelar a velocidade de produção de H2 com dependência da inibição pelo O2. Simulações tridimensionais são realizadas a fim de determinar as distribuições de temperaturas e frações mássicas dentro de um fotobiorreator (FBR) compacto, em condições de operação diferentes. Uma malha relativamente esparsa foi utilizada (6048 elementos de volume) para obter resultados convergidos para um grande domínio computacional de FBR ( 5 × 2 m × 8 m m) . O maior tempo computacional requerido para obter resultados foi de 560 s, i.e., menos do que 10 min. Os resultados numéricos para crescimento microalgal são validados por comparação direta com medições experimentais. Simulações da produção de hidrogênio são conduzidas para demonstrar a factibilidade de operação intermitente do FBR (estágios aeróbico e anaeróbico) e tendências de evolução de espécies adequadas com técnica de biofotólise indireta. Consequentemente, após validação experimental para um sistema de produção de H2 em particular, é razoável estabelecer que o modelo possa ser usado como uma ferramenta eficiente para o projeto térmico, controle e otimização de sistemas FBR para máxima produção de H2.