Estudo númerico da hidrodinâmica de um fotobiorreator com campo elétrico moderado

Abstract

As microalgas são microrganismos capazes de sintetizar diversos compostos, como proteínas, lipídeos e carotenoides, que possuem diversas aplicações comerciais. Sistemas de cultivo para essas espécies estão sendo cada vez mais estudados, de forma a aumentar a viabilidade da sua produção. Fotobiorreatores são sistemas fechados de cultivo capazes de fornecer um controle adequado das variáveis de processo, além de evitar o contato com contaminantes. A aplicação de tratamentos elétricos tem se mostrado uma alternativa ao cultivo tradicional, aumentando tanto a extração de produtos quanto o crescimento celular. No presente trabalho, foi apresentado um modelo numérico, construído no ANSYS CFX 18.2, com o objetivo de estudar um fotobiorreator do tipo airlift com circulação externa, destinado ao cultivo de microalgas com a aplicação de um campo elétrico e que atinja o estado estacionário com temperatura média de 28 °C. O modelo computacional desenvolvido foi validado através da comparação com dois trabalhos disponíveis na literatura. Resultados mostraram a formação de uma pluma de bolhas através do riser, com baixa circulação de ar ao downcomer. Foram aplicadas diferenças de potencial entre os eletrodos iguais a 100, 120 e 140 V, em conjunto de temperaturas de resfriamento iguais a 15,75, 10,35 e 3,95 °C. O aumento do potencial elétrico entre os eletrodos acarretou em maiores gradientes de temperatura, observando-se superprocessamento nas proximidades das regiões superiores dos eletrodos e um subprocessamento abaixo do trocador de calor, que atinge 24,27 °C para a diferença de potencial igual a 140 V. Devido à geometria da entrada de ar, observou-se transferência de calor convectiva não uniforme ao longo do riser. As regiões de maior concentração de cisalhamento foram nas proximidades da entrada de ar, junto da pluma de bolhas e nas arestas do trocador de calor e dos eletrodos. A metodologia numérica proposta se mostrou adequada para descrever o comportamento hidrodinâmico e térmico no fotobiorreator e pode servir como base para simulações numéricas do cultivo de microalgas assistida por campos elétricos com diferentes variáveis de processo.

Microalgae are organisms with a wide range of possible commercial applications, such as proteins, lipids and carotenoids, which have several commercial applications. Cultivation systems for these species have been extensively studied in most recent years, aiming to enhance its production feasibility. Photobioreactors are a class of closed systems capable of providing an adequate process control and of avoiding contact with contaminants. The application of electrical treatments has been shown to be an alternative to conventional treatments, being capable of improving the extraction of intracellular products, as well as the cell growth rate. In the present work, a numerical model, built on ANSYS CFX 18.2, is presented, with the objective of studying an external loop airlift photobioreactor with moderate electric fields applied on the culture medium, so that the system is considered steady and reaches an average temperature of 28 °C. The computational model was validated by comparing the results obtained with two other works found on the literature. A bubble plume was formed across the riser, while the air volume fraction was negligible in the downcomer. Voltages of 100, 120 and 140 V were applied between the electrodes along with cooling temperatures of 15.75, 10.35 and 3.95 °C, respectively. The enhancement of the electrical potential resulted in greater temperature gradients, with overprocessing in the upper regions near the wall of the electrodes and underprocessing under the heat exchanger, with a minimal temperature of 24.27 °C when 140 V were applied. Due to the inlet geometry, the riser wall showed non-uniformities in regards to the convective heat transfer. The regions with a bigger amount of shear stresses were the ones around the air inlet, the bubble plume and the solid regions edges’. The numerical methodology of the present work has shown to be adequate to describe the hydrodynamic and thermal behaviour of the photobioreactor, which can be used as a reference to numerical simulations of microalgae cultivation assisted by moderate electric fields when different process variables are employed as boundary conditions.