Modelagem e validação de método computacional da etapa acidogênica do processamento de soro de leite em reator anaeróbio de leito fixo estruturado

Autor(es)

Thiago Ravanini do Nascimento

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/SBD)
• Data de defesa: 2021-10-07

Membros da banca

Rogers Ribeiro; Rafael Brito de Moura; Adriano Luiz Tonetti

• Orientador: Rogers Ribeiro

Resumo

Águas residuárias e subprodutos da indústria agroalimentar brasileira são mal geridos, no que diz respeito à possibilidade de recuperação energética e produção de compostos de valor agregado a partir da fração orgânica presente. Como exemplo, o soro de leite, subproduto da indústria de laticínios, pode ser aproveitado de várias formas, dentre elas, a produção biológica de hidrogênio e ácidos orgânicos por vias fermentativas, como as de alongamento de cadeia. Paralelamente, avanços computacionais permitem a representação de bioprocessos, buscando predizer eficiência, detectar falhas de projeto, propor condições operacionais e variar configurações de biorreatores. O presente trabalho busca validar um método computacional que comtemple um modelo biológico descrito por equações matemáticas que representem as etapas fermentativas de bateladas realizadas sobre a fermentação de soro de leite reconstituído. Para isso, utilizar-se-á simulações de Monte Carlo associadas a Cadeia de Markov (MCMC) para minimização de parâmetros cinéticos livres que irão compor o modelo biológico, contendo a rota da β-oxidação reversa, representativa do alongamento de cadeia, calibrando-se o modelo com dados da fermentação obtidos em batelada. Paralelamente foi concebido um modelo 3-D do reator anaeróbio de leito fixo estruturado (AnSTBR) em software comercial COMSOL Multiphysics®, no qual foram realizados estudos de fluidodinâmica computacional simulando a operação de um AnSTBR com os parâmetros obtidos nas bateladas, calibrando-se o modelo com dados experimentais. Por fim, propõe-se acoplar o ADM1 modificado ao modelo 3-D projetado, buscando representar computacionalmente a etapa fermentativa ocorrida no AnSTBR operado continuamente. Os modelos desenvolvidos para representar os experimentos em batelada apresentaram bons ajustes aos dados experimentais, principalmente os modelos com a proposta de reações de alongamento de cadeia, com ressalvas às simulações de biomassa. Os modelos de melhor ajuste foram implementados no software COMSOL Multiphysics®, porém mostraram resultados diferentes do esperado devido mal funcionamento das equações de pH. O modelo 3-D que representou o processo contínuo foi validado em relação a sua hidrodinâmica, porém por divergências de ativação de rotas metabólicas não se obteve bons ajustes aos dados experimentais, impossibilitando a validação do acoplamento das equações bioquímicas. (AU)

• Processo FAPESP: 19/19152-1 - Modelagem e validação de método computacional da etapa acidogênica do processamento de soro de leite em reator anaeróbio de leito fixo estrutura
• Beneficiário: Thiago Ravanini do Nascimento
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado