Aeration and extraction in multiphase biological reactors

Abstract

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.

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.