Autor(es):
Martins, Mara Guadalupe Freire Martins 
Data: 2007
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/3191
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Engenharia química; Reactores biológicos; Compostos organofluorados; Oxigénio; Soluções iónicas
Descrição
Este trabalho tem como principais objectivos o estudo e optimização do
arejamento e extracção em reactores biológicos multifásicos.
Em bioreactores aeróbios o arejamento pode ser incrementado pela adição de
uma segunda fase líquida e imiscível, tais como os fluorocarbonetos. Os
perfluorocarbonetos apresentam uma série de propriedades específicas, onde
se destacam a sua grande capacidade de dissolução de oxigénio e o facto de
serem química e biologicamente inertes. A adição desta segunda fase a
sistemas aquosos pode ser efectuada quer pela adição directa de um
fluorocarboneto ou na sua forma emulsionada, recorrendo para tal a um
surfactante. A escolha do composto fluorado mais adequado depende
directamente da sua capacidade de dissolução de oxigénio e do seu
coeficiente de transferência de massa, e também da sua estabilidade aquando
da forma emulsionada, sendo estas propriedades afectadas, por sua vez,
pelas propriedades físicas dos compostos puros.
Este trabalho contribui então com uma série de novos dados experimentais em
relação às propriedades dos fluorocarbonetos no seu estado puro, tais como
as suas tensões superficiais e viscosidades. Para além do mais, foram
desenvolvidos novos métodos para a determinação da solubilidade de oxigénio
e para o estudo da estabilidade de emulsões. Também se apresentam
solubilidades mútuas entre fluorocarbonetos e água e estudos do efeito de sais
adicionados na solubilidade de orgânicos em água. Finalmente foi executada a
optimização estrutural de um bioreactor e realizada a análise do coeficiente de
transferência de massa do oxigénio na fase aquosa na presença de um
perfluorocarboneto.
Os líquidos iónicos são uma classe recente de solventes que possuem um
largo leque de propriedades interessantes, onde a sua elevada capacidade de
solvatação, pressões de vapor ínfimas e a possibilidade de afinar as suas
propriedades físicas, fazem destes compostos candidatos ideais como
“solventes verdes”. Assim, a sua capacidade como solventes de extracção em
reactores biológicos foi aqui estudada. Novos dados experimentais de
solubilidades mútuas entre líquidos iónicos e água foram medidos para uma
larga gama de líquidos iónicos. Novos dados de densidade e tensões
superficiais foram determinados e inferido o efeito do teor de água nestas
mesmas propriedades.
O modelo de previsão baseado em cálculos químicos de quântica unimolecular
para moléculas individuais, COSMO-RS, foi utilizado para prever o
comportamento e solubilidades mútuas entre fluorocarbonetos ou líquidos
iónicos e água, sendo a capacidade deste modelo discutida.
ABSTRACT: The aim of this work is the understanding and optimization of aeration and
extraction phenomena in multiphase biological reactors.
The aeration may be enhanced in aerobic bioreactors by the use of a second
liquid immiscible phase such as fluorocompounds. Perfluorocarbons have
peculiar properties, where among others, present a large solubility for oxygen
and are bio and chemically inert. The addition of a second liquid phase in
aqueous bioreactors can be performed both by the direct inclusion of the
perfluorocarbons or in the form of emulsions using a surfactant. The choice of
the best fluorocarbon depends on their oxygen solubility capability, on their
mass transfer coefficients and on their emulsion stability, being all these
properties influenced in a second order, by the physical properties of the pure
compounds.
This work contributes with new experimental data for several pure fluorocarbon
properties such as surface tensions and viscosities. Furthermore, new methods
were developed for the inspection of the solubility of oxygen in perfluorocarbonformulated
emulsions and for studying the perfluorocarbon-in-water emulsions
stability along time. Also, the mutual solubilities between fluorocarbons and
water were carried and the effect of the salts addition was studied. Finally, the
mass transfer coefficient to the aqueous phase using a perfluorocarbon as a
second liquid phase and the bioreactor structural optimization were achieved.
Ionic liquids are a novel class of chemical compounds that present a large
range of interesting properties, where their large solvating ability, their
negligible vapour pressures and the possibility of fine tune their physical
properties, make of them ideal candidates for “green solvents”. Therefore, their
ability as extraction solvents from biological reactors aqueous phases was
carried. Original data for mutual solubilities with water were measured for a
large combination of ionic liquids. Besides, new data for pure physical
properties such as densities and surface tensions were determined and the
influence of the water content on such properties was discussed.
COSMO-RS, a predictive method based on unimolecular quantum chemical
calculations for individual molecules, was used to predict the phase behaviour
between fluorocarbons or ionic liquids and water and the predictive capacity of
this model is discussed. Doutoramento em Engenharia Química
Tipo de Documento
Tese de Doutoramento
Idioma
Inglês
Orientador(es)
Coutinho, João Manuel da Costa Araújo Pereira; Marrucho, Isabel
