AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL E NUMÉRICA DA CINÉTICA DO CONGELAMENTO DO MÚSCULO DE ABRÓTEA (Urophycis brasiliensis)

This work carried out an experimental and numerical study of the kinetics of freezing of the Brazilian codling (Urophycis brasiliensis) muscle in air blast freezer, with air temperature set at 253.15 K and the average convective heat transfer coefficient at 25.4 W m-2 K-1. The initial temperature of the fish muscle was 277.15 K and the final temperature 255.15 K. The objective of this work was verify the best agreement between the experimental temperature profile and the numerical temperature profile to Brazilian codling muscle, using the CFD (Computational Fluid Dynamics) as numerical tool. In relation to the obtained results, it was verified that a good agreement between the experimental and numerical temperature profiles for the Brazilian codling muscle. The experimental freezing time found was 6618 s, and the freezing time through the numerical simulation was 6246 s. The error percentage found was 5.6%.Este trabalho realizou um estudo experimental e numérico da cinética de congelamento do músculo de abrótea (Urophycis brasiliensis) em uma câmara fria de convecção a ar forçado, com a temperatura do ar fixada em 253,15 K e o coeficiente convectivo médio de transferência de calor de 25,4 W m-2 K-1. A temperatura inicial do músculo do pescado foi de 277,15 K e a temperatura final de 255,15 K. O objetivo deste trabalho foi verificar a melhor concordância entre o perfil de temperatura experimental e o perfil de temperatura numérico para o músculo de abrótea, utilizando o CFD (Computational Fluid Dynamics) como ferramenta numérica. Em relação aos resultados obtidos, verificou-se uma boa concordância entre os perfis experimentais e numéricos de temperatura para o músculo de abrótea. O tempo de congelamento experimental encontrado foi de 6618 s, e o tempo de congelamento pela simulação numérica foi de 6246 s. O percentual de erro encontrado foi de 5,6%

Modelagem, simulação e otimização de biorreatores de leito fixo para fermentação/bioprocesso em estado sólido

Ao contrário dos bioprocessos submersos, que são amplamente utilizados e estudados, bioprocessos em estado sólido (BES) ainda são carentes de estudos de modelagem e simulação, o que aponta para o grande potencial de otimização. A dificuldade no aperfeiçoamento de BES está associada a problemas com a dissipação do calor gerado pelas atividades metabólicas do microrganismo durante o crescimento. Esta dificuldade na transferência de calor dentro do biorreator pode levar a zonas de altas temperaturas, que afetam adversamente a produtividade. A modelagem matemática é uma ferramenta essencial para otimizar bioprocessos. Através de modelos matemáticos é possível otimizar as variáveis operacionais para controle do bioprocesso e também analisar o design do biorreator. A otimização geométrica, de acordo com a Teoria Constructal, visa melhorar o desempenho do biorreator através, por exemplo, de minimizar a temperatura no interior do leito a níveis ótimos para o cultivo. O presente trabalho apresenta projetos de biorreatores para BES, todos com geometria otimizada, obtidos a partir de experimentação numérica, através de um software de computational fluid dynamics (CFD). O modelo matemático utilizado era preditivo e significativo ao nível de confiança de 95%. A otimização geométrica foi apresentada em função das condições operacionais do cultivo. Para o biorreator de coluna e leito fixo com paredes isoladas, foram apresentadas as geometrias ótimas em função da velocidade, da vazão e da temperatura do ar de admissão. Para uma temperatura do ar de admissão de 29,5 ºC, as configurações ótimas ((D/L)opt) variaram entre 1,0 e 2,4 para uma faixa de velocidade de admissão do ar entre 0,003 e 0,006 m s-1 . Relacionando com vazão, as razões mostraram-se ótimas entre 2,2 ≤ (D/L) ≤ 2,6 quando operando sob 3,3 a 3,5 10-5 m3 s-1 . Outro biorreator estudado foi o biorreator modular, composto de módulos elementares com geometria otimizada, sendo adaptável a diferentes escalas de produção e de fácil montagem. As configurações ótimas dos módulos de geometria retangular e seção quadrada foram apresentadas para diferentes volumes de módulos, em função da temperatura e da velocidade do ar de admissão. Foi observado que o volume máximo do módulo sem resfriamento externo é 5 L, para uma velocidade do ar de admissão acima de 0,0045 m s-1 e temperatura inferior ou igual 29,0 ºC O último biorreator proposto foi o biorreator hollow, semelhante a um biorreator de coluna e leito fixo, porém com um duto oco inserido nele. O duto interno tem inúmeros furos perpendiculares às suas paredes, mas sua saída é isolada, permitindo que o ar penetre no meio poroso. A geometria otimizada do biorreator hollow foi apresentada em função da fração de volume do duto interno, da razão entre os diâmetros de entrada e saída do duto interno, da vazão e da temperatura do ar de admissão. Em comparação com o biorreator de coluna convencional de mesmas dimensões e sob mesmas condições operacionais, o biorreator hollow apresentou temperatura máxima mais baixa, demonstrando que o projeto é eficiente para resfriar o meio poroso. Concluiu-se, enfim, no presente trabalho, que a geometria é um parâmetro importante e a sua otimização pode beneficiar o desempenho do biorreator.Unlike the submerged bioprocesses, that was wildly used and studied, solid state bioprocess (SSB) are still poorly studied with respect to modeling and simulation, what indicates a big potential for optimization. The difficulty in the BES improvement is associated to problems with the dissipation of heat generated by metabolic activities of microorganisms during growth. This difficulty in transferring heat from the bioreactor could lead to areas with high temperature, which usually affect the productivity adversely. The mathematical modeling is an essential tool for optimizing bioprocesses. Using mathematical models it is possible to optimize operational variables to control the bioprocess and also explore the design of the bioreactor. The geometric optimization, according Constructal Theory, aims to improve the performance of the bioreactor through, for example, minimizing the temperature inside the bed to optimum levels for the bioprocess. The present work presents designs of bioreactors to SSB, all with optimized geometry, obtained from numerical experiments, by computational fluid dynamics (CFD) software. The mathematical model used has been predictive and significant at .95 level of confidence. The geometric optimization was presented as function of operational conditions of the cultivation. For the column fixed bed bioreactor with isolated wall, the optimal configurations are shown as function of flow, velocity and temperature of inlet air. For a inlet air temperature of 29.5 ºC, the optimal configurations ((D/L)opt) varied between 1.0 e 2.4 to a range of inlet velocity between 0.003 e 0.006 m s-1 . Relating with the volumetric flow, the optimal ratios presented between 2.2 ≤ (D/L) ≤ 2.6 when operating under 3.3 a 3.5 10-5 m3 s-1 . Other studied bioreactor was the modular bioreactor, consisting of elementary modules with optimized geometry, being adaptable to different scales of production and easy assembly. The optimal configurations of the modules with rectangular geometry and square section were shown depending on the volume of modules and the temperature and velocity of inlet air. It was observed that the maximum volume of the module without external cooling was 5 L, for a inlet velocity upper 0.0045 m s-1 and temperature smaller or equal to 29.0 ºC. The last proposed bioreactor was the hollow bioreactor, similar to a column fixed bed bioreactor, but with an empty duct inserted on it. The internal duct has innumerable holes perpendicular to its wall (the inlet port), but its end is insulated, allowing the air penetrates into the porous medium. The optimized geometry of hollow bioreactor was presented in function of the volume fraction of internal duct, the ratio between the diameters of inlet and outlet of the internal duct, the flow rate and temperature of the inlet air. Comparing with the conventional column bioreactor with the same configuration and same operational conditions, the hollow bioreactor showed a lower maximum temperature. This demonstrates that the project is efficient at cooling the porous medium. Finally, it was concluded that the geometry is an important parameter and its optimization can benefit the performance of the bioreactor

Estudo da etapa de fracionamento via “Winterização” seca no processo de refino do óleo de pescado

Os métodos de fracionamento de óleo e gorduras via “Winterização” envolvem as etapas básicas de cristalização e separação. A cristalização, conduzida sob um lento resfriamento. Fornece cristais grandes, de formas polimórficas estáveis. A separação, realizada através de filtração, decantação ou centrifugação, separa os cristais do liquido sobrenadante, gerando duas frações de características diferentes. O objetivo deste trabalho consistiu em estudar dois métodos de fracionamento via seca ( CUNHA et.al., 2000 e GANGA et.al., 1998) utilizando o óleo de pescado da região, e definir a melhor localização da etapa de fracionamento no fluxograma de refino (após a neutralização ou após a classificação). Executou-se a clarificação do óleo bruto segundo MORAIS (2000), com as etapas de degomagem, neutralização, branqueamento e filtração. Foi empregado um planejamento experimental tipo fatorial, tendo como resposta a diferença percentual verificada no índice de iodo antes e após o fracionamento. Como acompanhamento, analisou-se também o índice de saponificação. Verificou-se que os métodos estudados proporcionaram um acréscimo idêntico no índice de iodo, sendo que maior eficiência de fracionamento (diferença de 6,0٪ no índice de iodo ) foi observado quando se empregou a “Winterização”após a clarificação. A análise cromatográfica dos ácidos graxos apontou um aumento médio de 9,6٪ no teor do ácido docosahexaenóico no óleo fracionado. Palavras-Chave: winterização, óleo de pescado, fracionamento, refino de óle

Estudo da etapa de fracionamento via “Winterização” seca no processo de refino do óleo de pescado

Os métodos de fracionamento de óleo e gorduras via “Winterização” envolvem as etapas básicas de cristalização e separação. A cristalização, conduzida sob um lento resfriamento. Fornece cristais grandes, de formas polimórficas estáveis. A separação, realizada através de filtração, decantação ou centrifugação, separa os cristais do liquido sobrenadante, gerando duas frações de características diferentes. O objetivo deste trabalho consistiu em estudar dois métodos de fracionamento via seca ( CUNHA et.al., 2000 e GANGA et.al., 1998) utilizando o óleo de pescado da região, e definir a melhor localização da etapa de fracionamento no fluxograma de refino (após a neutralização ou após a classificação). Executou-se a clarificação do óleo bruto segundo MORAIS (2000), com as etapas de degomagem, neutralização, branqueamento e filtração. Foi empregado um planejamento experimental tipo fatorial, tendo como resposta a diferença percentual verificada no índice de iodo antes e após o fracionamento. Como acompanhamento, analisou-se também o índice de saponificação. Verificou-se que os métodos estudados proporcionaram um acréscimo idêntico no índice de iodo, sendo que maior eficiência de fracionamento (diferença de 6,0٪ no índice de iodo ) foi observado quando se empregou a “Winterização”após a clarificação. A análise cromatográfica dos ácidos graxos apontou um aumento médio de 9,6٪ no teor do ácido docosahexaenóico no óleo fracionado. Palavras-Chave: winterização, óleo de pescado, fracionamento, refino de óle

Constructal design of solid state fermentation bioreactors

Constructal Design is applied to geometric optimization of an insulated wall bioreactor. The optimization of the bioreactor geometry allows that it to operate, below a certain temperature limit, without external cooling equipment. The possibility of using less equipment shows how geometric optimization can be used as a tool for the ecologically correct management of energy. For the geometric optimization, a mathematical model that represents the solid state fermentation by Aspergillus niger is validated and used to study a column fixed bed bioreactor with fixed volume. The model is solved numerically for an insulated wall bioreactor. According to Constructal Design the shape of the bioreactor is free to change subject to volume constraint and in the pursuit of better performance. The optimal ratio between the diameter and the length of the bioreactor, i.e., the ratio which corresponds to the optimal maximum temperature equal to 35 ºC, is calculated for several inlet velocities, volumetric flow rates and inlet air temperatures

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL EVALUATION OF THE KINETIC OF FREEZING BRAZILIAN CODLING (Urophycis brasiliensis) MUSCLE

This work carried out an experimental and numerical study of the kinetics of freezing of the Brazilian codling (Urophycis brasiliensis) muscle in air blast freezer, with air temperature set at 253.15 K and the average convective heat transfer coefficient at 25.4 W m-2 K-1. The initial temperature of the fish muscle was 277.15 K and the final temperature 255.15 K. The objective of this work was verify the best agreement between the experimental temperature profile and the numerical temperature profile to Brazilian codling muscle, using the CFD (Computational Fluid Dynamics) as numerical tool. In relation to the obtained results, it was verified that a good agreement between the experimental and numerical temperature profiles for the Brazilian codling muscle. The experimental freezing time found was 6618 s, and the freezing time through the numerical simulation was 6246 s. The error percentage found was 5.6%

Hexahedral modular bioreactor for solid state bioprocesses

The design of a modular bioreactor for solid state fermentation is a promising development because it keeps the homogeneity of the bed at optimal levels. This study determines the optimum geometry of elementary modules of hexahedral bioreactors subjected to constant volume. The bioreactors have a square section and do not need an external cooling system, because the optimization limits the temperature of the bed to 35 C. The geometric optimization followed the Constructal principle of minimum heat resistance. The numerical simulations take into account the following parameters: inlet air temperature and velocity, and module volume. Once the elementary module has been selected, the total volume of the bioreactor can be calculated