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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2012.tde-14052013-112024
Document
Author
Full name
Evelise Roman Corbalan Góis Freire
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2012
Supervisor
Committee
Seleghim Junior, Paulo (President)
Coury, José Renato
Reali, Marco Antonio Penalva
Rodriguez, Oscar Mauricio Hernandez
Souza, Leandro Franco de
Title in Portuguese
Otimização dos parâmetros geométricos de fermentadores contínuos aplicados na produção de bioetanol através de simulação computacional do escoamento
Keywords in Portuguese
Algoritmos genéticos
Bioetanol
CFD
DTR
Fermentador
Otimização univariada
Tensão de cisalhamento
Abstract in Portuguese
O aprimoramento dos meios para obtenção do bioetanol a partir de diferentes tipos de biomassa traz novos problemas e desafios para a engenharia. O Brasil, devido a fatores climáticos e uma produção de etanol a partir da cana de açúcar já estabilizada, possui uma posição mundial vantajosa na produção sucroalcooleira. Otimizar os meios já existentes e os em desenvolvimento pode não somente aumentar a eficiência da produção, como também reduzir os impactos ambientais causados pelo modelo de produção atualmente utilizado. O processo de fermentação é utilizado tanto na produção de etanol de primeira como de segunda geração, portanto melhorias no desempenho dos fermentadores contribui de maneira significante para o melhor aproveitamento da matéria prima. Diversas tentativas de melhorias são apresentadas na literatura, principalmente por meio do estudo de parâmetros do escoamento que podem influenciar o processo fermentativo, como tensão de cisalhamento, perfis de velocidade e tempo de residência, assim como a influência da geometria do fermentador sobre esses parâmetros. Em alguns estudos, algoritmos de otimização são utilizados para determinar os melhores coeficientes das reações químicas, mas não há estudos, até o momento, que proporcionem otimização simultânea dos parâmetros da geometria e do escoamento em um fermentador contínuo, presentes em cerca de 30% das usinas brasileiras. O objetivo deste trabalho é obter os parâmetros geométricos ideais para um fermentador contínuo, de forma a minimizar a tensão de cisalhamento a variância da distribuição de tempos de residência (DTR) no fermentador. O Ansys CFX® foi utilizado como ferramenta na simulação computacional do escoamento. As geometrias dos fermentadores ideais para cada um dessas análises, obtidas utilizando Algoritmos Genéticos e otimização univariada, respectivamente, foram propostas neste estudo.
Title in English
Geometry parameters optimization of a continuous fermenter applied at bioethanol production by flow computational simulation
Keywords in English
CFD
Ethanol
Fermenter
Genetic algorithms
Shear stress
Univariate optimization
Abstract in English
The enhancement of bioethanol production means from different types of biomass presents significant problems and engineering challenges. Due to climate and a well-established sugar-cane ethanol production, Brazil is in a privileged position in the global ethanol production scenario. Providing effective means to optimize existing production methods can both improve the efficiency and reduce the environmental impact of the currently used production model. Improvements on this process can have a significant effect in several stages of production, once the production process is used both for first and second-generation ethanol. Several attempts to improve the ethanol production process are presented in the literature. Most studies have investigated how to improve parameters such as shear stress, velocity profiles and residence time, and of the influence of the bioreactor geometry on the parameters. The use of genetic algorithms has been reported in some cases, but there have not been reports on studies combining the optimization of flow parameters and algorithms to choose ideal geometric parameters for continuous fermenters, used in 30% of Brazilian industries in the field. The main aim of this study is to obtain ideal geometric parameters for a continuous fermenter, in order to maximize or minimize flow parameters that can influence on the fermenting process. The aim of this study is obtain the ideal geometry parameters for a continuous fermenter, minimizing two of flow parameters which can influence the fermentation process, namely the shear stress and the variance of residence time distribution (RTD). The flow parameters was obtained by computational fluid dynamics. The ideal fermenter geometries was obtained by two different optimization methods: the genetic algorithms and univariate optimization. The ideal geometries was proposed in this study.
 
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Publishing Date
2013-06-03
 
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