Simulação da dinâmica do biorreator de fermentação em estado sólido em CFD

Abstract

Resumo:A fermentação em estado sólido (FES) demonstra grande potencial por apresentar grande produtividade volumétrica e baixos custos de operação. Porém existem grandes desafios para que esta rota de produção seja aplicada em grandes escalas. Corridas de fermentação e testes para a larga escala são demasiadamente caras e demoradas e, devido a isto, os modelos matemáticos e as simulações computacionais tornam-se ainda mais importantes para a superação destes desafios. As técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) estão cada vez mais acessíveis, contudo não se encontra na literatura nenhuma aplicação do CFD em sistemas de FES. No trabalho atual, utilizou-se o software comercial de fluidodinâmica computacional ANSYS Fluent® 16.0 para desenvolver um modelo matemático para a transferência de calor e massa, juntamente ao crescimento microbiano em um biorreator em escala piloto de leito fixo. As simulações levam em consideração a dinâmica do fluxo em meios porosos, o não equilíbrio térmico e de concentrações de água entre as fases sólida e gasosa, o crescimento da biomassa (microrganismo), a geração de calor e água metabólicos, e a variação da permeabilidade do leito ao longo do tempo. Este modelo foi manualmente incluído no software por meio de UDFs (User Defined Functions). O uso do CFD apresenta a vantagem de prever possíveis gradientes de temperatura e de transferência de massa radiais gerados pela geometria complexa do sistema. A geometria foi baseada no biorreator piloto localizado nas instalações da Universidade Federal do Paraná. Ela foi desenhada em 3D no software ANSYS ICEM CFD® 16.0 e transportada para o Fluent para configurar todas as condições de operação. Baseou-se as simulações em dois experimentos de condições distintas, visando representá-los e compará-los aos resultados obtidos por CFD. Um experimento de FES foi promovido através do cultivo do fungo Aspergillus niger no biorreator piloto, cujas condições iniciais foram aplicadas para a simulação final do cultivo. Para a obtenção de parâmetros de permeabilidade, foram feitas medições de perda de carga em corridas de fermentação no biorreator piloto. O valor da perda de carga predita é similar à medida no experimentalmente. O mesmo modelo matemático foi capaz de descrever coerentemente as dinâmicas de transferência de calor e massa de ambos os experimentos. A predição do crescimento biológico ao longo do cultivo também produziu perfis de concentração de biomassa e de temperatura do leito concordantes com observações experimentais. Desta forma, se desenvolveu um meio robusto e confiável de testar condições de operação para produções de larga escala em biorreatores de fermentação em estado sólido.

Abstract: Solid-state fermentation (SSF) has potential advantages for the production of certain biotechnological products, due to its large volumetric productivity and low operating costs. However, there are major challenges in obtaining adequate heat and mass transfer when this fermentation method is used at large scales. Mathematical models and computer simulations are useful tools for designing strategies to overcome these challenges, given the cost of large-scale fermentation experiments. It is therefore surprising that, to date, there are few examples of the application of computational fluid dynamics (CFD) to SSF bioreactors. In the current work, we used the commercial CFD software ANSYS FLUENT® 16.0 to develop a mathematical model for heat and mass transfer along the microbial growth in a pilot-scale packed-bed bioreactor. On the simulation were taken into account: the dynamics of airflow in the porous substrate bed; the lack of thermal and moisture equilibrium between the solid and gas phases; and the influence of the biological growth on the solid consumption, bed porosity and permeability and on the balances due the metabolic heat and water productions The model was inserted into the commercial CFD software ANSYS Fluent® 16.0 through UDF's (user defined functions). CFD models can predict radial temperature and mass transfer gradients in complex geometries of flow. The mesh and geometry were based on the pilot-scale bioreactor, located at the Federal University of Paraná facilities. The 3D geometry was drawn using ANSYS ICEM CFD® 16.0 and exported to Fluent in order to set all the operational conditions. The simulation conditions were based on two different experiments, aiming to represent them and compare them to the obtained CFD results. A SSF experiment was performed by growing the fungus Aspergillus niger on the pilot-scale bioreactor, which initial conditions were applied on the final cultivation simulation. The permeability parameters were estimated by the pressure drop data taken from the SSF run. The predicted pressure drop values were similar to the experimental readings. The same mathematical model was capable of describe coherently the dynamics of mass and heat transfer of both experiments. The biological growth prediction over the cultivation also produced biomass concentration and temperature profiles showed to be accordant to the experimental observations. Thus, the work intends to provide the basis for the development of a robust and reliable model for testing operating conditions and control strategies for large-scale cultivation in SSF bioreactors.