Aprimoramento da abordagem para modelar o balanço de água em biorreatores de fermentação em estado sólido

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Marques, Barbara Celupi
Data de Publicação: 2005
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/1900
Resumo: Orientador: David Alexander Mitchell
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spelling Luz Junior, Luiz Fernando de Lima, 1966-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPEMitchell, David Alexander, 1952-Marques, Barbara Celupi2024-05-27T19:08:23Z2024-05-27T19:08:23Z2005https://hdl.handle.net/1884/1900Orientador: David Alexander MitchellCoorientador: Luiz Fernando de L. Luz JrDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia - PIPE. Defesa: Curitiba, 2005Inclui bibliografia e anexoÁrea de concentração: Engenharia de processos térmicos e químicosResumo: A fermentação em estado sólido consiste no crescimento de um microrganismo em partículas úmidas de substrato orgânico com ausência ou quase ausência de água entre as partículas do sólido. Esta técnica de fermentação tem potencial para produzir vários produtos biotecnológicos com maiores rendimentos do que a fermentação submersa. Entretanto, ainda há problemas na aplicação desta tecnologia para a produção comercial, especialmente no que diz respeito ao controle da temperatura e da umidade no leito do substrato em biorreatores de grande escala. Modelos matemáticos dos biorreatores podem ser utilizados como ferramentas para desenvolver estratégias de operação e controle dos biorreatores. O presente trabalho mostra o aprimoramento de um modelo matemático previamente desenvolvido para descrever a operação de um biorreator em escala piloto com aeração forçada e agitação intermitente. Para a utilização deste modelo, foi necessário ajustar a isoterma e os coeficientes de transferência de calor e de massa para o sistema escolhido, que consiste no substrato soja (Glycine max) e no microrganismo Rhizopus oryzae. Além disto, o modelo previamente desenvolvido admite que a isoterma do substrato é a mesma do substrato fermentado. Em uma primeira etapa, foram realizados experimentos para determinar as isotermas da soja e da soja fermentada e foi verificado que para uma dada atividade de água, a combinação soja-microrganismo possuiu maior conteúdo de água do que soja pura. Este fato demonstrou a importância da inclusão da biomassa na equação da isoterma do substrato. Foi proposto um método de cálculo no modelo para a isoterma da soja fermentada através das isotermas da biomassa pura e da soja pura. Em uma segunda etapa, foram realizadas simulações do modelo para avaliar a influência da alteração dos coeficientes de transferência de massa e calor no comportamento do leito. Tais simulações indicaram que as diminuições destes coeficientes apresentam efeito significativo no desempenho do processo. Também foram realizados experimentos no biorreator onde as previsões do modelo foram comparadas com os perfis experimentais de resfriamento, nos quais verificou-se a necessidade de ajustes dos coeficientes de transferência de massa e calor no modelo matemático.Abstract: Solid-state fermentation involves the growth of microorganisms on moist solid organic particles in the absence or near-absence of water in the inter-particle spaces. This fermentation technique has the potential to produce various biotechnological products in yields higher than those obtained in submerged liquid fermentation. However, problems remain that hinder the use of this technology for commercial processes, the most important of these problems being the difficulty of controlling the temperature and moisture content of the substrate bed within large-scale bioreactors. Mathematical models of bioreactors can be used as tools to guide the development of strategies for the operation and control of solid-state fermentation bioreactors. The present work aimed to improve a mathematical model that had previously been developed to describe the operation of a pilot-scale bioreactor with forced aeration and intermittent agitation. In order to use this model, it was necessary to adjust the isotherm and mass and heat transfer coefficients to the system used, namely a substrate consisting of soybeans (Glycine max) and the microorganism Rhizopus oryzae. Beyond this, the isotherm used in the model assumed that the isotherm of fermented substrate was the same as that of unfermented substrate. In the first part of the work, isotherms were obtained for unfermented soybeans and fermented soybeans, and it was shown that, for a given water activity, the presence of the microorganism led to a higher water content. This result demonstrated the importance of including the biomass content of the fermenting soybeans in the equation for the isotherm. A method was proposed for calculating the isotherm of fermented soybeans on the basis of the isotherms of pure biomass and pure soybeans. In the second part of the work, simulations with the mathematical model were undertaken in order to evaluate the influence of alterations in the mass and heat transfer coefficients on the behavior of the substrate bed. These simulations indicated that heat and mass transfer coefficients lower than those previously incorporated into the model could affect process performance significantly. Finally, experiments were undertaken in which the model predictions were compared with temperature data obtained during cooling of a hot bed of cooked soybeans. These experiments indicated the need for more careful estimates of the heat and mass transfer coefficients.viii, 89 f. : il., grafs., tabs.application/pdfDisponível em formato digitalBiotecnologiaBioreatores - Modelos matemáticosEngenharia de Materiais e MetalurgiaAprimoramento da abordagem para modelar o balanço de água em biorreatores de fermentação em estado sólidoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - BARBARA CELUPPI MARQUES.pdfapplication/pdf5782825https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/1900/1/R%20-%20D%20-%20BARBARA%20CELUPPI%20MARQUES.pdfecd4cc00d59d454ac7235a9dffd2118cMD51open access1884/19002024-05-27 16:08:23.605open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/1900Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-05-27T19:08:23Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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