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Please use this identifier to cite or link to this item: http://tede.unioeste.br/handle/tede/4136
Tipo do documento: Tese
Title: Desenvolvimento de um fotobiorreator de placas planas para cultivo de microalgas com alta densidade celular
Other Titles: Development of a flat-plate photobioreactor for microalgae cultivation in high-density cultures
Autor: Hinterholz, Camila Larissa 
Primeiro orientador: Trigueros, Daniela Estelita Goes
Primeiro coorientador: Módenes, Aparecido Nivaldo
Segundo coorientador: Kroumov , Alexander Dimitrov
Primeiro membro da banca: Trigueros, Daniela Estelita Goes
Segundo membro da banca: Borba, Carlos Eduardo
Terceiro membro da banca: Sebastien, Nyamien Yahaut
Quarto membro da banca: Scheufele, Fabiano Bisinella
Quinto membro da banca: Almeida, Robson Luciano de
Resumo: Este estudo teve por objetivo o desenvolvimento de um fotobiorreator (PBR) em escala laboratorial capaz de obter culturas de microalgas com alta densidade celular. Para isto, avaliou-se o cultivo de Poterioochromonas malhamensis em um PBR de placas planas, construído com volume útil de 10 L. A cepa desta microalga foi isolada de um lago artificial de Toledo – PR. Todo o estudo foi baseado na Teoria Geral de Sistemas em que se dividiu a pesquisa em quatro níveis hierárquicos. No primeiro nível avaliaram-se os parâmetros da transferência de massa, por meio de um planejamento fatorial fracionado (PFF) considerando-se quatro fatores: vazão de entrada de gás (Qgás), CO2 no gás de entrada (ϕCO2), concentração de antiespuma (CAE) e salinidade do meio (ϕsal), cujos valores ajustáveis podem representar a TM para as respostas K_L a_(O_2 ),〖 K〗_L a_(CO_2 ),O_2^eq e CO_2^eq. Com isso, foram verificados experimentalmente os parâmetros: K_L a_(O_2 ) (14,88 a 79,32 h-1) e K_L a_(CO_2 ) (0 a 125,40 h-1), bem como as variações de concentração das espécies dissolvidas no equilíbrio: O_2^eq (37,33 a 99,66%) e CO_2^eq (0 a 98,33%), respectivamente relativo aos valores de equilíbrio das espécies dissolvidas em água pura. Ainda no primeiro nível, o modelo de Euler-Euler foi utilizado para o estudo da fluidodinâmica dentro do PBR, por meio do software Comsol®, sendo avaliadas três configurações: PBRA – sem dispersor; PBRB – com dispersor de bolhas simples; e PBRC – com dispersor perfurado, cuja proposta de dispersão de bolhas garantiu maior frequência dos ciclos claro-escuro, de acordo com as simulações de fluxos de água e de bolhas realizadas em sistema mono e multifásico, respectivamente. A influência do módulo dispersor de bolhas sobre o crescimento celular foi verificada experimentalmente por ensaios feitos com o PBRA e o PBRC, a partir dos quais se verificou o aumento de 175% na produção de biomassa (15,7 g L-1) com a utilização do PBRC. No segundo nível hierárquico, foi estudada a tolerância da cepa frente às condições ajustáveis do sistema: Qgás, ϕCO2, CAE, além de temperatura, condições de iluminação, e concentrações de nutrientes e carbono orgânico, utilizando-se a técnica de pulsos. Dentro das faixas avaliadas, os resultados não mostraram inibição do crescimento, porém este foi acentuado em valores acima de 30°C. Também, neste nível, admitindo-se a produção de 1 g L-1 de biomassa, os meios M-8 e BG-11 foram otimizados por programação matemática linear cuja função objetivo sujeita a restrições baseadas na composição elementar da biomassa. Com isso, os meios originais e otimizados foram avaliados quanto à produção de biomassa, e ao teor de proteínas, carboidratos, lipídeos e pigmentos clorofila-a, clorofila-b e carotenoides. A ANOVA indicou o melhor meio para a produção de biomassa (M-8), cujos valores otimizados foram preparados nos cultivos de avaliação da fonte de nitrogênio. Nestes, três fontes inorgânicas – NH4NO3, NaNO3 e KNO3; e uma orgânica – ureia foram comparadas, verificando-se pela ANOVA que a fonte mais indicada para a produção de biomassa foi a ureia. No terceiro nível hierárquico, foi proposto um modelo de crescimento com base em balanços de massa e nas definições de velocidade específica de transformação, definição de conversão, reações de dissociação do CO2 e O2 em água e a Lei de Henry. Após a aplicação da modelagem fenomenológica de modelos não estruturados e não segregados, obteve-se um conjunto de equações estequiométricas, que foram utilizadas para avaliar modelos cinéticos obtidos da literatura, pelos quais se avaliaram a influência da luz, CO2 e O2 dissolvidos, pH e temperatura sobre o crescimento celular. Utilizando-se os resultados alcançados nos níveis anteriores, o estudo do quarto nível indicou que o modelo simplificado proposto para descrever os dados experimentais de cultivo de Poterioochromonas malhamensis em PBR fechado (crescimento celular, consumo de CO2 na fase gasosa, e variação no pH do meio) foi adequado, cujas simulações mostraram-se satisfatórias também para o consumo das espécies de carbono inorgânico dissolvido, bem como para a transferência de massa entre as fases. Nesta etapa, 32 parâmetros cinéticos e estequiométricos foram estimados no ajuste do modelo proposto aos dados experimentais, por meio de um algoritmo baseado nos Algoritmos Genéticos implementado no software Maple®. Portanto, o presente estudo apresentou a utilização do módulo dissipador de bolhas perfurado acoplado ao PBR proposto, o que permitiu a obtenção do que se caracteriza por cultura de densidade ultra alta, uma vez que ≈15 g L-1 de biomassa foram fornecidos pelo cultivo de P. malhamensis. Destacou-se, também, a possibilidade da otimização de condições importantes para o cultivo de biomassa, bem como para o projeto de PBRs, por meio do levantamento de dados experimentais, associado às adequadas metodologias estatísticas de avaliação e à modelagem cinética e fluidodinâmica, conforme se verificou pela Teoria Geral de Sistemas aplicada.
Abstract: The objective of this study was to develop a laboratory-scale photobioreactor (PBR) capable of obtaining microalgae cultures with high cell density. For this, the cultivation of Poterioochromonas malhamensis was evaluated in a flat-plate PBR, built with a useful volume of 10 L. The microalga strain was isolated from an artificial lake from Toledo – PR. The whole study was based on the System Analysis Theory, in which the research was divided into four hierarchical levels. In the first level, the mass transfer (MT) parameters were evaluated by means of a fractionated factorial design (FFD) considering four factors: gas inlet flow (Qgas), CO2 in the inlet gas (φCO2), antifoam concentration (CAE) and salinity of the medium (φsal), whose adjustable values may represent the MT for the responses K_L a_(O_2 ),〖 K〗_L a_(CO_2 ),O_2^eq e CO_2^eq. Thus, the parameters K_L a_(O_2 ) (14.88 to 79.32 h-1) and K_L a_(CO_2 ) (0 to 125.40 h-1) were verified experimentally, as well as the equilibrium concentration variations: O_2^eq (37.33 to 99.66%) and CO_2^eq (0 to 98.33%) respectively, relative to the equilibrium values of the species dissolved in pure water. Still in the first level, the Euler-Euler model was used for the study of the fluid dynamics inside the PBR, with the software Comsol®, being evaluated three configurations: PBRA – without disperser; PBRB – with simple bubble disperser; and PBRC – with perforated disperser, whose bubble dispersion proposal ensured a higher frequency of the light-dark cycles, according to the simulations of water and bubbles flows performed in mono and multiphase systems, respectively. The influence of the bubble dispersion module on cell growth was verified experimentally with PBRA and PBRC runs, which showed a 175% increase in biomass production (15.7 g L-1) with use of PBRC. In the second hierarchical level, the tolerance of the strain to the adjustable conditions of the system was studied: Qgas, φCO2, in addition to temperature, lighting conditions, nutrient concentrations and organic carbon, using the pulse technique. Within the evaluated ranges, the results did not show inhibition of growth, but was accentuated in values above 30 °C. Also, at this level, assuming the production of 1 g L-1 biomass, M-8 and BG-11 media were optimized by linear mathematical programming, whose objective function subjected to constraints based elemental composition of the biomass. Therefore, the original and optimized media were evaluated regarding biomass production, as well as protein, carbohydrate, lipid and pigment chlorophyll-a, chlorophyll-b and carotenoids content of cells. ANOVA indicated the best medium for the production of biomass (M-8), whose optimized values were prepared in the nitrogen source evaluation cultures. In these, three inorganic sources – NH4NO3, NaNO3 and KNO3; and an organic – urea were compared, and it was verified by ANOVA that the most appropriate source for the production of biomass was urea. In the third hierarchical level, a growth model was proposed based on mass balances and the definitions of specific transformation velocity, conversion definition, CO2 and O2 dissociation reactions in water and Henry's Law. After applying the phenomenological modeling of unstructured and non-segregated models, a set of stoichiometric equations was built, which were used to evaluate kinetic models obtained from the literature, by which the influence of light, dissolved CO2 and O2, pH and temperature on cell growth. Using the results obtained at previous levels, the fourth-level study indicated that the simplified model proposed to describe the experimental data of Poterioochromonas malhamensis culture in closed PBR (cell growth, CO2 consumption in the gas phase, and variation in the pH of the medium) was adequate, whose simulations were also satisfactory for the consumption of the inorganic dissolved carbon species, as well as for the mass transfer between the phases. In this step, 32 kinetic and stoichiometric parameters were estimated in the fit of the proposed model to the experimental data, through an algorithm based on the Genetic Algorithms implemented in the software Maple®. Therefore, this study presented the use of the perforated bubble disperser module coupled to the proposed PBR, which allowed the achievement of what is characterized by ultra-high density culture, since ≈ 15 g L-1 of biomass were produced by the culture of P. malhamensis. It was also highlighted the possibility of optimizing important conditions for biomass cultivation, as well as for the design of PBRs, through the collection of experimental data, associated to appropriate statistical methodologies of evaluation and to kinetic and fluid dynamics modeling, according to the General Theory of Systems applied.
Keywords: Microalgas
Placas planas
Fotobiorreator
Fluidodinâmica computacional
Transferência de massa
Modelagem matemática
Microalgae
Flat-plate
Photobioreactor
Computational fluid dynamics
Mass transfer
Mathematical modeling
CNPq areas: ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Publisher: Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Sigla da instituição: UNIOESTE
Departamento: Centro de Engenharias e Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Campun: Toledo
Citation: HINTERHOLZ, Camila Larissa. Desenvolvimento de um fotobiorreator de placas planas para cultivo de microalgas com alta densidade celular. 2018. 194 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Toledo, 2018.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://tede.unioeste.br/handle/tede/4136
Issue Date: 13-Nov-2018
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Química (TOL)

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