Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido
Autor(a) principal: | |
---|---|
Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSCAR |
Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17809 |
Resumo: | Aiming at expanding the scale of solid-state fermentation processes (SSF), it is necessary to develop and improve appropriate bioreactors. Of note are the packed-bed bioreactors (PBBs), which have already been studied for the production of enzymes useful in the biofuel processing chain, such as cellulases for second-generation ethanol. However, one of the main problems in the operation of these bioreactors is the overheating of the bed, so that heat transfer studies in these systems are necessary. In this context, the objective of this project was to evaluate the thermal behavior of a bed packed with solid agro-industrial waste, with and without the occurrence of cultivation. For tests without cultivation, the bed was packed with the the humid substrate (mixture of sugarcane bagasse and wheat bran in a 3:7 weight ratio), but not inoculated. With the aid of thermocouples and a thermal imager, the radial thermal profiles were evaluated in a steady state, for a fixed bed height, with water flowing through the jacket and air percolating through the bed in co-current directions (water and air ascending) and counter-current (ascending air and descending water) and under flows of 175 and 350 L/h percolation of air saturated in humidity. Effective parameters were determined through the traditional two-parameter model, based on which modified dimensionless numbers were defined and calculated to allow a better thermal analysis of the system. For a given flow, the thermal parameters were higher for fluid flow in counter-current, as well as increased with the increase in air flowrate. The cultivation case study was the production of cellulases by Myceliophthora thermophila. During cultivation, transient temperature profiles were recorded at various radial and axial positions. With fluid flow through the jacket and percolating air again in co and counter-current, maximum temperature reached was around 52°C, around 7°C above the optimum for cultivation. Finally, to test a strategy to possibly mitigate the overheating of the system, cultivations were carried out with periodic reversal of the percolating air flow. Although the maximum temperature reached was the same, greater thermal homogeneity was observed in the bed, probably due to the better air distribution between the fermenting modules. |
id |
SCAR_027f2dc10fba5a4a4b945fc4fd32989d |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17809 |
network_acronym_str |
SCAR |
network_name_str |
Repositório Institucional da UFSCAR |
repository_id_str |
4322 |
spelling |
Sales, Éverton HolandaCasciatori, Fernanda Perpétuahttp://lattes.cnpq.br/1269950652196294http://lattes.cnpq.br/317576486333201561328a72-7023-42f7-b302-bbd6d3596c592023-04-19T13:27:24Z2023-04-19T13:27:24Z2023-02-28SALES, Éverton Holanda. Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17809.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17809Aiming at expanding the scale of solid-state fermentation processes (SSF), it is necessary to develop and improve appropriate bioreactors. Of note are the packed-bed bioreactors (PBBs), which have already been studied for the production of enzymes useful in the biofuel processing chain, such as cellulases for second-generation ethanol. However, one of the main problems in the operation of these bioreactors is the overheating of the bed, so that heat transfer studies in these systems are necessary. In this context, the objective of this project was to evaluate the thermal behavior of a bed packed with solid agro-industrial waste, with and without the occurrence of cultivation. For tests without cultivation, the bed was packed with the the humid substrate (mixture of sugarcane bagasse and wheat bran in a 3:7 weight ratio), but not inoculated. With the aid of thermocouples and a thermal imager, the radial thermal profiles were evaluated in a steady state, for a fixed bed height, with water flowing through the jacket and air percolating through the bed in co-current directions (water and air ascending) and counter-current (ascending air and descending water) and under flows of 175 and 350 L/h percolation of air saturated in humidity. Effective parameters were determined through the traditional two-parameter model, based on which modified dimensionless numbers were defined and calculated to allow a better thermal analysis of the system. For a given flow, the thermal parameters were higher for fluid flow in counter-current, as well as increased with the increase in air flowrate. The cultivation case study was the production of cellulases by Myceliophthora thermophila. During cultivation, transient temperature profiles were recorded at various radial and axial positions. With fluid flow through the jacket and percolating air again in co and counter-current, maximum temperature reached was around 52°C, around 7°C above the optimum for cultivation. Finally, to test a strategy to possibly mitigate the overheating of the system, cultivations were carried out with periodic reversal of the percolating air flow. Although the maximum temperature reached was the same, greater thermal homogeneity was observed in the bed, probably due to the better air distribution between the fermenting modules.Visando à ampliação de escala de processos de fermentação em estado sólido (FES), torna-se necessário o desenvolvimento e o aprimoramento de biorreatores apropriados. Destacam-se os biorreatores de leito empacotado (BLEs), que já vem sendo estudados para produção de enzimas úteis à cadeia de processamento de biocombustíveis, como celulases para etanol de segunda geração. No entanto, um dos principais problemas na operação destes biorreatores é o superaquecimento do leito, de modo que estudos de transferência de calor nestes sistemas se fazem necessários. Neste contexto, o objetivo do presente projeto foi avaliar o comportamento térmico de um leito empacotado com resíduos sólidos agroindustriais, sem e com a ocorrência de cultivo. Para ensaios sem cultivo, o leito foi empacotado com o substrato úmido (mistura de bagaço de cana e farelo de trigo na proporção mássica de 3:7), mas não inoculado. Foram avaliados, com auxílio de termopares e de um termovisor, os perfis térmicos radiais em regime permanente, para uma altura de leito fixa, com escoamento de água pela camisa e de ar percolando o leito nos sentidos co-corrente (água e ar ascendentes) e contra-corrente (ar ascendente e água descendente) e sob as vazões de 175 e 350 L/h de percolação de ar saturado em umidade. Foram determinados parâmetros efetivos através do modelo a dois parâmetros tradicional, com base nos quais foram definidos e calculados números adimensionais modificados para permitir uma melhor análise térmica do sistema. Para uma dada vazão, os parâmetros térmicos foram maiores para escoamento dos fluidos em contra-corrente, assim como aumentaram com o aumento da vazão de ar. O estudo de caso de cultivo foi o da produção de celulases por Myceliophthora thermophila. Ao longo do cultivo, foram registrados os perfis transientes de temperatura em várias posições radiais e axiais. Com escoamento dos fluidos pela camisa e ar percolante novamente em co e contra-corrente, a temperatura máxima atingida foi em torno de 52ºC, cerca de 7ºC acima da ótima para cultivo. Por fim, para testar uma estratégia para possivelmente amenizar o sobreaquecimento do sistema, foram realizados cultivos com reversão periódica do fluxo de ar percolante. Embora a máxima temperatura atingida tenha sido a mesma, foi observada maior homogeneidade térmica no leito, provavelmente melhor distribuição de ar entre os módulos.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)001porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBioprocessosFungos filamentososCultivo em estado sólidoLeitos empacotadosModo de operaçãoBiorreatoresBioprocessesFilamentous fungiSolid-state cultivationPacked-bedsModes of operationBioreactorsENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICAAnálise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólidoAnalysis of heat transfer and thermal parameters in packaged solid state fermentation bedinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis60060084d47a5b-ed41-4c4c-869d-7a2604d94854reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação de Mestrado -Éverton Holanda Sales.pdfDissertação de Mestrado -Éverton Holanda Sales.pdfDissertação de Mestrado -Éverton Holanda Salesapplication/pdf1957068https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/1/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20de%20Mestrado%20-%c3%89verton%20Holanda%20Sales.pdfaf6f1870732387f0f310cd96e5e9d4c6MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/3/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD53TEXTDissertação de Mestrado -Éverton Holanda Sales.pdf.txtDissertação de Mestrado -Éverton Holanda Sales.pdf.txtExtracted texttext/plain219687https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/4/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20de%20Mestrado%20-%c3%89verton%20Holanda%20Sales.pdf.txt301d242f1fe095ee9db2a8b20e497f0cMD54THUMBNAILDissertação de Mestrado -Éverton Holanda Sales.pdf.jpgDissertação de Mestrado -Éverton Holanda Sales.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg5754https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/5/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20de%20Mestrado%20-%c3%89verton%20Holanda%20Sales.pdf.jpg5717961e23c262b05ec636621a9eb4feMD55ufscar/178092023-09-18 18:32:36.835oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/17809Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:36Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
dc.title.por.fl_str_mv |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido |
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv |
Analysis of heat transfer and thermal parameters in packaged solid state fermentation bed |
title |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido |
spellingShingle |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido Sales, Éverton Holanda Bioprocessos Fungos filamentosos Cultivo em estado sólido Leitos empacotados Modo de operação Biorreatores Bioprocesses Filamentous fungi Solid-state cultivation Packed-beds Modes of operation Bioreactors ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA |
title_short |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido |
title_full |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido |
title_fullStr |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido |
title_full_unstemmed |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido |
title_sort |
Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido |
author |
Sales, Éverton Holanda |
author_facet |
Sales, Éverton Holanda |
author_role |
author |
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/3175764863332015 |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Sales, Éverton Holanda |
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv |
Casciatori, Fernanda Perpétua |
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/1269950652196294 |
dc.contributor.authorID.fl_str_mv |
61328a72-7023-42f7-b302-bbd6d3596c59 |
contributor_str_mv |
Casciatori, Fernanda Perpétua |
dc.subject.por.fl_str_mv |
Bioprocessos Fungos filamentosos Cultivo em estado sólido Leitos empacotados Modo de operação Biorreatores |
topic |
Bioprocessos Fungos filamentosos Cultivo em estado sólido Leitos empacotados Modo de operação Biorreatores Bioprocesses Filamentous fungi Solid-state cultivation Packed-beds Modes of operation Bioreactors ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA |
dc.subject.eng.fl_str_mv |
Bioprocesses Filamentous fungi Solid-state cultivation Packed-beds Modes of operation Bioreactors |
dc.subject.cnpq.fl_str_mv |
ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA |
description |
Aiming at expanding the scale of solid-state fermentation processes (SSF), it is necessary to develop and improve appropriate bioreactors. Of note are the packed-bed bioreactors (PBBs), which have already been studied for the production of enzymes useful in the biofuel processing chain, such as cellulases for second-generation ethanol. However, one of the main problems in the operation of these bioreactors is the overheating of the bed, so that heat transfer studies in these systems are necessary. In this context, the objective of this project was to evaluate the thermal behavior of a bed packed with solid agro-industrial waste, with and without the occurrence of cultivation. For tests without cultivation, the bed was packed with the the humid substrate (mixture of sugarcane bagasse and wheat bran in a 3:7 weight ratio), but not inoculated. With the aid of thermocouples and a thermal imager, the radial thermal profiles were evaluated in a steady state, for a fixed bed height, with water flowing through the jacket and air percolating through the bed in co-current directions (water and air ascending) and counter-current (ascending air and descending water) and under flows of 175 and 350 L/h percolation of air saturated in humidity. Effective parameters were determined through the traditional two-parameter model, based on which modified dimensionless numbers were defined and calculated to allow a better thermal analysis of the system. For a given flow, the thermal parameters were higher for fluid flow in counter-current, as well as increased with the increase in air flowrate. The cultivation case study was the production of cellulases by Myceliophthora thermophila. During cultivation, transient temperature profiles were recorded at various radial and axial positions. With fluid flow through the jacket and percolating air again in co and counter-current, maximum temperature reached was around 52°C, around 7°C above the optimum for cultivation. Finally, to test a strategy to possibly mitigate the overheating of the system, cultivations were carried out with periodic reversal of the percolating air flow. Although the maximum temperature reached was the same, greater thermal homogeneity was observed in the bed, probably due to the better air distribution between the fermenting modules. |
publishDate |
2023 |
dc.date.accessioned.fl_str_mv |
2023-04-19T13:27:24Z |
dc.date.available.fl_str_mv |
2023-04-19T13:27:24Z |
dc.date.issued.fl_str_mv |
2023-02-28 |
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.citation.fl_str_mv |
SALES, Éverton Holanda. Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17809. |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17809 |
identifier_str_mv |
SALES, Éverton Holanda. Análise da transferência de calor e parâmetros térmicos em leito empacotado de fermentação em estado sólido. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17809. |
url |
https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/17809 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.relation.confidence.fl_str_mv |
600 600 |
dc.relation.authority.fl_str_mv |
84d47a5b-ed41-4c4c-869d-7a2604d94854 |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ info:eu-repo/semantics/openAccess |
rights_invalid_str_mv |
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ |
eu_rights_str_mv |
openAccess |
dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de São Carlos Câmpus São Carlos |
dc.publisher.program.fl_str_mv |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ |
dc.publisher.initials.fl_str_mv |
UFSCar |
publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de São Carlos Câmpus São Carlos |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da UFSCAR instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) instacron:UFSCAR |
instname_str |
Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) |
instacron_str |
UFSCAR |
institution |
UFSCAR |
reponame_str |
Repositório Institucional da UFSCAR |
collection |
Repositório Institucional da UFSCAR |
bitstream.url.fl_str_mv |
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/1/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20de%20Mestrado%20-%c3%89verton%20Holanda%20Sales.pdf https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/3/license_rdf https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/4/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20de%20Mestrado%20-%c3%89verton%20Holanda%20Sales.pdf.txt https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/17809/5/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20de%20Mestrado%20-%c3%89verton%20Holanda%20Sales.pdf.jpg |
bitstream.checksum.fl_str_mv |
af6f1870732387f0f310cd96e5e9d4c6 f337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aec 301d242f1fe095ee9db2a8b20e497f0c 5717961e23c262b05ec636621a9eb4fe |
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv |
MD5 MD5 MD5 MD5 |
repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) |
repository.mail.fl_str_mv |
|
_version_ |
1802136421149966336 |