Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ribeiro, Margarida Cavaco Leite
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/12333
Resumo: Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Mecânica
id RCAP_92bed54f1277c45abde6b9d7bcc2da14
oai_identifier_str oai:repositorio.ipl.pt:10400.21/12333
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatoresDinâmica de fluidos computacionalComputational fluid dynamicsCFDBiorreatorBioreactorE coliModelo multifásicoMultiphase modelTrabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia MecânicaUm dos maiores desafios da humanidade nos dias de hoje constitui o estudo e a compreensão de doenças para as quais não existem tratamentos eficientes ou tratamentos sequer. É nesse sentido que se tem vindo a explorar novas opções, como os produtos biotecnológicos. Na área farmacêutica, os maiores volumes de receitas anuais são referentes a estes produtos, prevendo-se um aumento anual de 1% até 2022. No entanto, o desenvolvimento destes produtos apresenta certas dificuldades, especialmente no tratamento de culturas in vitro, já que as células envolvidas nestes processos são extremamente sensíveis a qualquer alteração do meio. Este trabalho final de mestrado pretende caracterizar parâmetros como velocidade criada pela agitação das pás e inserção de oxigénio no meio, necessários à maximização da produção de uma cultura de células num Biorreator , já que este tipo de equipamentos constitui um dos principais meios de controlo e monitorização em tempo-real das aplicações mencionadas. A ferramenta que permite a melhor compreensão deste estudo é a dinâmica de fluidos computacional, CFD, evitando deste modo a perda de investimentos de milhões de euros numa só cultura. Neste sentido, foi realizado um estudo do estado de arte dos biorreatores e dos métodos utilizados em CFD, no programa ANSYS Fluent. A validação de conceitos foi realizada a partir de um artigo que caracteriza a ascensão de uma bolha, num meio aquoso retangular 3D, através do método de Euler. O cálculo matemático realizado utilizou o método de múltiplos referenciais móveis (MRF), um modelo de turbulência − padrão e finalmente um modelo multifásico com recurso às equações de Euler. Adicionalmente, foram realizados ensaios experimentais para se validarem os resultados obtidos, com recurso a um biorreator de bancada BIOSTAT Startorius de 2 L. Concluiu-se que os ensaios experimentais permitem validar o escoamento, quer relativamente ao tempo de homogeneização da mistura, como ao movimento realizado pela sua fase secundária, sendo que cada estágio da cultura apresenta comportamentos diferentes. E também que devido à exigência computacional e tempo necessário de cálculo não foi possível realizar estudos iterativos para a convergência dos melhores valores de parâmetros a utilizar e um estudo detalhado do sistema.One of the greatest challenges facing humanity today is the study and understanding of diseases for which there are no effective treatments or treatments at all. It is in this sense that new options such as biotechnological products have been explored. In pharmaceuticals, the highest annual revenue volumes refer to these products and its predicted to increase annually 1% until 2022. However, the development of these products presents certain difficulties, especially in the treatment of in vitro cultures, since the cells involved in these processes are extremely sensitive to any change in the medium. This master’s final work, as the title indicates, is intended to characterize parameters such as velocity created by the rotation of the blades and the air sparging, necessary to maximize the production of a cell culture in a bioreactor, since this type of equipment is one of the main means of control and monitoring of the applications mentioned. The tool that allows a better understanding of the above is the computational fluid dynamics, CFD, thus avoiding the loss of investments of millions of euros in a single culture. A study of the state of the art of bioreactors as well as the methods used in CFD in ANSYS Fluent, were carried out. A concept validation was performed from an article that characterizes the rise of a bubble in a rectangular 3D aqueous medium by the Euler method. Then, a mathematical calculation was performed using the moving multiple reference (MRF) methods, a standard k-ε turbulence model and finally a multiphase model using the Euler equations. Experimental tests were also performed to validate the results using a 2 L BIOSTAT Startorius bench bioreactor. It was concluded that the experimental tests allow to validate the flow, both in relation to the time of homogenization of the mixture, as well as to the movement carried out by its secondary phase, being that each stage of the culture presents different behaviours. Also, due to the computational requirement and necessary calculation time, it was not possible to carry out iterative studies for the convergence of the best values of parameters to be used and a detailed study of the system.Instituto Superior de Engenharia de LisboaCasaca, Cláudia Sofia Séneca da LuzCalado, Cecília Ribeiro da CruzMarques, Nelson Pereira CaetanoRCIPLRibeiro, Margarida Cavaco Leite2020-11-03T20:52:33Z2020-02-042020-02-04T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/12333TID:202534367porRIBEIRO, Margarida Cavaco Leite - Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2020. Dissertação de mestrado.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-08-03T10:05:01Zoai:repositorio.ipl.pt:10400.21/12333Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:20:26.568719Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
title Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
spellingShingle Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
Ribeiro, Margarida Cavaco Leite
Dinâmica de fluidos computacional
Computational fluid dynamics
CFD
Biorreator
Bioreactor
E coli
Modelo multifásico
Multiphase model
title_short Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
title_full Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
title_fullStr Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
title_full_unstemmed Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
title_sort Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores
author Ribeiro, Margarida Cavaco Leite
author_facet Ribeiro, Margarida Cavaco Leite
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Casaca, Cláudia Sofia Séneca da Luz
Calado, Cecília Ribeiro da Cruz
Marques, Nelson Pereira Caetano
RCIPL
dc.contributor.author.fl_str_mv Ribeiro, Margarida Cavaco Leite
dc.subject.por.fl_str_mv Dinâmica de fluidos computacional
Computational fluid dynamics
CFD
Biorreator
Bioreactor
E coli
Modelo multifásico
Multiphase model
topic Dinâmica de fluidos computacional
Computational fluid dynamics
CFD
Biorreator
Bioreactor
E coli
Modelo multifásico
Multiphase model
description Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Mecânica
publishDate 2020
dc.date.none.fl_str_mv 2020-11-03T20:52:33Z
2020-02-04
2020-02-04T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10400.21/12333
TID:202534367
url http://hdl.handle.net/10400.21/12333
identifier_str_mv TID:202534367
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.none.fl_str_mv RIBEIRO, Margarida Cavaco Leite - Desenvolvimento de um modelo matemático em CFD caracterizante de uma cultura de células em biorreatores. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2020. Dissertação de mestrado.
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
publisher.none.fl_str_mv Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799133473438433280

Registros relacionados