Modelagem e simulação da hidrodinâmica e transferência de oxigênio em um biorreator utilizando CFD

Abstract

Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo da hidrodinâmica e da transferência de massa envolvidos no processo de aeração promovido em um biorreator de escala laboratorial, através da utilização de ferramentas computacionais e modelagem matemática. Tal estudo se justifica ao apresentar modelos para o aprimoramento do processo de aeração, com ênfase nos fenômenos hidrodinâmicos do cenário proposto, assim como na transferência de oxigênio. Fez-se uso de ferramentas e conhecimentos da Fluidodinâmica Computacional (CFD), ramo da ciência que busca o aperfeiçoamento e melhor compreensão da relação entre as variáveis de um sistema, através da predição quantitativa e/ou qualitativa, fazendo-se uso de softwares computacionais baseados em modelagem matemática. A modelagem foi realizada utilizando a formulação VOF (Volume of Fluid), com a adição de equações extras de transporte de grandezas escalares e relações adicionais para o cálculo do coeficiente local de transferência de massa. Para a solução do conjunto de equações do modelo matemático foi utilizado o software FLUENT 14.5, este presente no conjunto de ferramentas de simulação e modelagem ANSYS Workbench. Foram utilizadas funções (denominadas UDFs - User Defined Function) para incorporar o cálculo do coeficiente de transferência de massa entre os meios líquido e gasoso, bem como a área interfacial, além da análise de diferentes correlações para o cálculo de tal coeficiente. Os resultados obtidos através da modelagem foram comparados com dados obtidos de maneira experimental e mostraram-se promissores para a previsão do comportamento hidrodinâmico do cenário, assim como para a previsão das taxas de transferência de oxigênio no biorreator.

This work aims to present a study of the hydrodynamics and mass transfer involved in the aeration process developed in a laboratory scale bioreactor through the use of computational tools and mathematical modeling. This project is justified to present mathematical models for the improvement of the aeration process, with emphasis on the hydrodynamics phenomena of the proposed scenario as well as an oxygen transfer. We used Computational Fluid Dynamics (CFD) tolls and knowledge, a branch of science that seeks to improve and better understand the relationship between the variables of the system, through quantitative and/or qualitative prediction, using computational software based on mathematical modeling. The modeling was performed using the Volume of Fluid (VOF) formulation, with the additions for the calculation of the local mass transfer coefficient. For set the equations solution of the mathematical model the software FLUENT 14.5 was used, which is present in the ANSYS Workbench simulation and modeling toolset. The User Defined Functions (UDF) were used to incorporate the calculation of the mass transfer coefficient between the liquid and gaseous phases and the interfacial area, as well as the analysis of different correlations for the calculation of the local oxygen transfer coefficient. The results obtained by the modeling were compared with data obtained experimentally. It was promising for the hydrodynamics behavior prediction of the scenario, even as for the prediction of the oxygen transfer rates in the bioreactor.