WO2012068650A1 - Fluidodynamic elbow used in horizontal-circuit bioreactors with bubble impulsion - Google Patents

Fluidodynamic elbow used in horizontal-circuit bioreactors with bubble impulsion Download PDF

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WO2012068650A1
WO2012068650A1 PCT/BR2010/000389 BR2010000389W WO2012068650A1 WO 2012068650 A1 WO2012068650 A1 WO 2012068650A1 BR 2010000389 W BR2010000389 W BR 2010000389W WO 2012068650 A1 WO2012068650 A1 WO 2012068650A1
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pit
fluid
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vertical partition
tank
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PCT/BR2010/000389
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Marcelo Rocha Martinelli
Daniel Fonseca De Carvalho E Silva
Leonardo Brantes Bacellar Mendes
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Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02Photobioreactors
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges

Definitions

  • the present invention relates to an impulse pit applied to bioreactor tanks, specifically of industrial scale microalgae production, which causes the culture medium to circulate in horizontal tanks, but capable of drastically reducing the energy consumption required at each time. productive cycle.
  • the system minimizes energy dispersion during the passage of fluid in the impulse pit.
  • Biodiesel is a natural fuel used in diesel cycle engines, produced from renewable oil sources, that meets the specifications of the National Petroleum Agency (ANP). It can be produced based on vegetable oils or animal fat.
  • biodiesel can also be added to petroleum derived fuel, forming a technically and economically viable blend. Mixing is possible and commercially permitted in any proportion with ultra-low sulfur diesel oil, giving it better lubricity characteristics.
  • Biodiesel requires large volumes of oilseeds for its production. With current seed processing techniques it is possible to extract on average 80% flour and only 20% oil. Thus, interest in the search for another plant source with promising oilseed characteristics increased: microalgae.
  • Microalgae have similar physicochemical and chemical characteristics to oilseed plants such as castor beans and soybeans, but unlike these have the advantage that they are not currently considered as the focus of human food. Other advantages reinforce the interest in microalgae: they, similar to oilseeds, require a very small space for cultivation, harvesting and transport costs are relatively low and there is a possibility of extracting more oil than oilseeds in general.
  • Microalgae cultivation has undeniable advantages: the multiplication rate of the crop is extraordinary, as it has a very short residence time per cycle of cultivated area. Yield is 200 to 300 times higher than known oilseeds. Its production area is 100 times smaller than traditional crops, requiring only 2,500 hectares to supply a refinery with a capacity of 250,000 tons, against 500,000 hectares of soybeans and 250,000 hectares of sunflower.
  • the micro-algae have the further advantage of "sequestering" carbon dioxide (C0 2) in its development process, thus contributing to the reduction of emissions of greenhouse gases to the atmosphere.
  • C0 2 carbon dioxide
  • Today's photobioreactors feature varied construction techniques and configurations for optimal use of sunlight exposure as well as agitation of the culture fluid.
  • Most adopted methods for cultivation of microalgae on an industrial scale focused on energy sources, culture in large open or closed tanks is predominant.
  • They are generally shaped like a masonry structure in shallow, divided oval shape to form at least two parallel channels, at least one of which is provided with at least one stirrer for moving the suspended biomass.
  • Agitation is generally promoted by submerged pumping, air injection or alternatively by rotating blades.
  • the pond volume is estimated according to the following parameters: hydraulic retention time (minimum re 30 days); applied organic load (Color, maximum 2000 mg / L) and movement speed, standardized around 0.15 m / s for the optimization of algae production.
  • the circulation and agitation of the culture fluid inside the tank are important to the good performance of the photosynthetic system, as it moves the suspended biomass, allowing a homogenization of microalgae to sunlight exposure and nutrients.
  • the configuration of a standard impulse pit currently used to promote circulation in microalgae growing tanks, consists of a parallelepiped shaped pit provided below the bottom of one of the growing tank channels.
  • the gap has the same width as said channel; It is divided by a vertical wall, transversely to the direction of flow of the fluid, resulting in two adjacent columns and also in the form of parallelepiped.
  • Each of these two columns connects at the top with the tank channel and at the bottom with each other, as the dividing wall does not reach the bottom of the pit.
  • a quantity of gas (which may be air or other gas of interest) is injected by bubblers. This gas, when rising through the fluid causes circulation in the system.
  • the fluid from the tank enters the pit downward in the upstream part of the tank channel, passes under the dividing wall of the pit and rises with the gas downstream of the channel.
  • Each edge of the pit inlet and outlet columns, as well as the lower edges at the intersection of the columns, also represent pressure drop zones.
  • an impeller pit always provided with a linear width equivalent to the width of the tank circulation channel, it will therefore have four times the same linear extension as a zone capable of generating pressure loss, since each of the four edges represents a zone of sudden change of direction. and layer breakage boundaries of the flow.
  • the pressure drop to promote the circulation of the entire culture fluid volume along the length of the culture tank channels represents 10% to 20% of the total system absorbed relative to the remaining energy expenditure that occurs only within of the impeller gap.
  • the present invention aims to offer a new stirring and thrusting option for industrial scale bioreactors of simple technical application which allows for greater economic viability per cultivation cycle.
  • the present invention relates to an agitator and impeller device, more specifically a fluid dynamic ditch, applied to bubbling horizontal circuit bioreactors, which comprises a basic structure composed of a predominantly parallelepiped shaped configuration tank having a curvilinear finish; arranged from edge to edge of at least one of the channels of a tank.
  • the pit is provided with a vertical partition wall, transversely to the direction of flow of the fluid but not reaching the bottom of said fossa.
  • the wall divides the pit so that two contiguous columns result, and also predominantly cobblestone. Each of these two columns connects at the top with the tank channel and at the bottom end with each other.
  • R1 - corresponding to the radius of curvature between the tank bed and the internal inlet and outlet walls of the pit;
  • R2 corresponds to the radius of curvature between the base of the pit and the inner walls of the inlet and outlet of the pit;
  • R3 - corresponding to the radius of curvature between the vertical partition wall and the fluid surface
  • R4 - corresponding to the radius of curvature of the vertical partition wall.
  • Figure 1 depicts a schematic view of a microalgae culture tank provided with a fluid dynamic ditch as proposed.
  • Figure 2 presents an isometric perspective view of the preferred constructive configuration of said fluid dynamic ditch, applied to bubbling horizontal loop photobioreactors.
  • Figure 3 depicts a cross-sectional view of said fluid-dynamic moat applied to bubbling horizontal loop bioreactors, indicating the relevant parameters.
  • the fluid dynamic ditch applied to bubbling horizontal loop bioreactors is intended to reduce the energy consumption expended during biomass revolving and cultivation fluid thrust within a photobioreactor.
  • the purpose of microalgae cultivation is for energy production, it is essential to detect and eliminate any waste of energy related to the process, so that the final energy balance is as profitable as possible.
  • Figure 1 shows a schematic view of a tank (1) where the thrust is made from a vertical bubbling moat.
  • the image already depicts the fluid dynamic ditch 100 proposed by the present invention.
  • Figure 2 shows in detail a schematic cross-sectional view of the fluid dynamic ditch (100) applied to bubbling horizontal loop bioreactors, which minimizes the problems highlighted above.
  • the invention basically comprises a predominantly parallelepiped configuration (110) disposed from one side to the other of one of the channels (2) of a microalgae cultivation tank (1), so that the upper end of the fluid dynamic ditch (100) is provided at the same level as the bed of said channel.
  • a predominantly parallelepiped configuration (110) disposed from one side to the other of one of the channels (2) of a microalgae cultivation tank (1), so that the upper end of the fluid dynamic ditch (100) is provided at the same level as the bed of said channel.
  • Alternatively, in the same tank (1) and / or channel (2), as many fluid-dynamic pits (100) as the design requirements may require to maintain optimal flow may be provided.
  • the fluid dynamic dome 100 has a vertical dividing wall 120 transverse to the direction of flow of the fluid. Said wall divides the pit 110 so that two adjacent columns result, a first column 121 and a second column 122, also predominantly parallelepiped in shape.
  • Each of these two columns (121 and 122) connects at the top with the channel (2) of the tank (1), and at the bottom end with each other, as the vertical dividing wall (120) does not reach the bottom of the pit (110).
  • gas is injected by means of bubbles (not shown in the figure). This gas, when rising through the fluid towards the surface, causes circulation in the system.
  • the fluid from the tank (1) enters the sump (110) downwards through the upper end of the first column (121) upstream of the channel (2 ') of the tank (1), it passes under the vertical partition wall (120) of the sump (110) and rises with the gas thrust through the second column (122) to the downstream portion of the channel (2 ").
  • the fluid dynamic pit 100 provides the entry of the first column 121 upstream of the channel. (2 '), the second column outlet (122) to the downstream portion of the channel (2 ") and also the lower end of the vertical partition wall (120), with a curvilinear finish. obeys pre-computed equational parameters by computational modeling that result in a constructive configuration capable of shaping the flow of culture fluid to minimize the breakdown of boundary layers, bringing the flow closer to a laminar regime during its passage through the interior. of the fluid dynamic ditch (100).
  • the fluid-dynamic moat 100 applied to bubbling horizontal loop bioreactors, may employ a much smaller flow gas disperser than those currently used.
  • Figure 3 shows a cross-sectional image of the constructive configuration of the fluid dynamic ditch 100, in which the following key variables can be identified in order for the invention to actually achieve the desired economy.
  • D2 distance between the lower end of the vertical partition wall (120) and the bottom of the pit (110);
  • R1 radius of curvature between the tank bed (1) and the internal inlet and outlet walls of the pit (110);
  • R2 radius of curvature between the base of the pit (110) and the inner walls of the inlet and outlet of the pit (110);
  • R3 radius of curvature between the vertical partition wall (120) and the fluid surface
  • R4 radius of curvature of the vertical partition wall (120).
  • the configuration variables disclosed above should preferably be restricted to a range of values that meet specific criteria.
  • a factor value, corresponding to one of the variables, must be chosen within the range of maximum and minimum possible values for that parameter, and multiplied by the square root of the intended floor area value (Au), expressed in square meters. .
  • the result of the operation will be the dimensional value to be used for the chosen configuration variable, expressed in decimeters:
  • the dimensional value of the other variables is obtained by the same methodology, applying the chosen factors in the formula. directly in the same factor table, in the other maximum and minimum value ranges of the remaining variables.
  • a random factor value within the factor range of each variable can be chosen that will achieve significant savings in the load losses generated by the bubbling drive system.

Abstract

The present invention relates to an agitation/impulsion device and more specifically to a fluidodynamic elbow used in horizontal-circuit bioreactors with bubble impulsion, which comprises a basic structure capable of minimizing dispersions of energy in the course of the passage of the fluid through the impulsion elbow. The impulsion elbow is used in bioreactor tanks, especially tanks for producing microalgae on an industrial scale, and it is capable of drastically reducing the consumption of energy necessary in each production cycle.

Description

FOSSO FLUIDODINÂMICO APLICADO EM BIORREATORES DE CIRCUITO HORIZONTAL COM IMPULSÃO POR BORBULHAMENTO  FLUIDODYMIN PATH APPLIED IN HORIZONTAL CIRCUIT BIORACTORS WITH BULB IMPULSION
CAMPO DA INVENÇÃO FIELD OF INVENTION
A presente invenção refere-se a um fosso de impulsão aplicado em tanques de biorreatores, especificamente de produção de microalgas em escala industrial, que provoca a circulação do meio de cultura em tanques horizontais, mas capaz de reduzir drasticamente o consumo de energia necessário a cada ciclo produtivo. O sistema torna mínima a dispersão de energia durante a passagem do fluido no fosso de impulsão.  The present invention relates to an impulse pit applied to bioreactor tanks, specifically of industrial scale microalgae production, which causes the culture medium to circulate in horizontal tanks, but capable of drastically reducing the energy consumption required at each time. productive cycle. The system minimizes energy dispersion during the passage of fluid in the impulse pit.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION
Atualmente a necessidade de matrizes energéticas renováveis tem levado as indústrias petrolíferas a investir em constantes pesquisas em busca de alternativas de combustíveis ecológicos. Uma das linhas de pesquisa de maior interesse é a do biodiesel.  Currently the need for renewable energy matrices has led the oil industry to invest in constant research in search of green fuel alternatives. One of the lines of research of greatest interest is biodiesel.
O biodiesel é um combustível natural usado em motores de ciclo diesel, produzido a partir de fontes oleaginosas renováveis, que atende as especificações da Agência Nacional de Petróleo (ANP). Ele pode ser produzido tendo como base óleos vegetais ou gordura animal.  Biodiesel is a natural fuel used in diesel cycle engines, produced from renewable oil sources, that meets the specifications of the National Petroleum Agency (ANP). It can be produced based on vegetable oils or animal fat.
A sua obtenção pode ser resumidamente descrita como o resultado da mistura de um desses tipos de óleo com álcool ou metanol, que em seguida é estimulada por um catalisador para provocar uma reação química entre o óleo e o álcool dando origem a uma mistura de ésteres e glicerina.  Obtaining it can be briefly described as the result of mixing one of these types of oil with alcohol or methanol, which is then stimulated by a catalyst to cause a chemical reaction between the oil and alcohol to give a mixture of esters and glycerin.
Um destes processos químicos típicos de fabricação do biodiesel é chamado transesterificação. O processo gera dois produtos principais: biodiesel (mistura de ésteres) e glicerina (produto valorizado no mercado de sabões).  One of these typical chemical processes for making biodiesel is called transesterification. The process generates two main products: biodiesel (ester mixture) and glycerin (valued product in the soap market).
O volume de biodiesel necessário ao mercado, haja vista a crescente demanda de combustíveis para a manutenção do modo de vida moderno seria impossível de se obter diante do aumento da população mundial, das necessidades básicas de alimentação mundial, e da crescente redução de áreas disponíveis para produção agrícola. The amount of biodiesel needed for the market, given the growing demand for fuels to maintain the modern lifestyle, would be impossible to obtain in the face of population growth. global food needs, and the growing reduction in areas available for agricultural production.
No entanto o biodiesel também pode ser adicionado ao combustível derivado de petróleo, formando uma mistura técnica e economicamente viável. A sua mistura é possível e permitida comercialmente, em qualquer proporção com o óleo diesel de ultrabaixo teor de enxofre, conferindo a este, melhores características de lubricidade.  However biodiesel can also be added to petroleum derived fuel, forming a technically and economically viable blend. Mixing is possible and commercially permitted in any proportion with ultra-low sulfur diesel oil, giving it better lubricity characteristics.
A possibilidade do incremento do uso de óleo derivado de sementes como matéria prima do biodiesel, mesmo o óleo sendo utilizado alternativamente como uma fração complementar na matriz energética atual, tem despertado igualmente a preocupação dos governos e uma polémica em nível mundial.  The possibility of increasing the use of seed oil as a biodiesel feedstock, even though the oil being used alternatively as a complementary fraction in the current energy matrix, has also raised the concern of governments and a worldwide controversy.
O biodiesel requer grandes volumes de oleaginosas para a sua produção. Com as técnicas atuais de processamento das sementes é possível extrair em média 80% de farinha e apenas 20% de óleo. Assim, aumentou o interesse pela pesquisa de outra fonte vegetal com características oleaginosas promissora: as microalgas.  Biodiesel requires large volumes of oilseeds for its production. With current seed processing techniques it is possible to extract on average 80% flour and only 20% oil. Thus, interest in the search for another plant source with promising oilseed characteristics increased: microalgae.
As microalgas possuem características físico-químicas e químicas similares às das plantas oleaginosas, como mamona e soja, mas diferentemente destas, têm a vantagem de não serem consideradas atualmente como foco da alimentação humana. Outras vantagens reforçam o interesse nas microalgas: elas, equiparadamente às sementes oleaginosas, requerem um espaço muito reduzido para o cultivo, os custos de colheita e transporte são relativamente baixos e há possibilidade de extrair mais óleo do que das plantas oleaginosas em geral.  Microalgae have similar physicochemical and chemical characteristics to oilseed plants such as castor beans and soybeans, but unlike these have the advantage that they are not currently considered as the focus of human food. Other advantages reinforce the interest in microalgae: they, similar to oilseeds, require a very small space for cultivation, harvesting and transport costs are relatively low and there is a possibility of extracting more oil than oilseeds in general.
Apesar deste potencial, ainda não existem muitos estudos sobre o tema, principalmente pesquisas que foquem os meios de cultivo de microalgas e seus equipamentos para a produção industrial de biocombustíveis.  Despite this potential, there are not many studies on the subject, especially research focusing on microalgae cultivation media and their equipment for the industrial production of biofuels.
Assim uma nova vertente de pesquisas de biodiesel atualmente está voltada para o objetivo de produzir microalgas em uma escala industrial, para que possa substituir matérias-primas como a soja na produção de biocombustíveis. Thus a new strand of biodiesel research is currently underway. focused on the goal of producing microalgae on an industrial scale, so that it can replace raw materials like soybeans in biofuel production.
A cultura de microalgas apresenta incontestáveis vantagens: a velocidade de multiplicação da cultura é extraordinária, pois apresenta um tempo de permanência muito curto, por ciclo de área cultivada. A produtividade é 200 a 300 vezes superior às oleaginosas conhecidas. A área ocupada na sua produção é 100 vezes inferior à das culturas tradicionais, sendo preciso apenas 2.500 hectares para abastecer uma refinaria com capacidade de 250 mil toneladas, contra 500 mil hectares de soja e de 250 mil hectares de girassol.  Microalgae cultivation has undeniable advantages: the multiplication rate of the crop is extraordinary, as it has a very short residence time per cycle of cultivated area. Yield is 200 to 300 times higher than known oilseeds. Its production area is 100 times smaller than traditional crops, requiring only 2,500 hectares to supply a refinery with a capacity of 250,000 tons, against 500,000 hectares of soybeans and 250,000 hectares of sunflower.
As micro-algas têm ainda a vantagem de "sequestrar" dióxido de carbono (C02) no seu processo de desenvolvimento, contribuindo assim para a redução das emissões de gases de efeito-estufa para a atmosfera. Para cada tonelada produzida de micro-algas são consumidas duas toneladas de C02, ou seja, equiparável a até vinte vezes mais do que as oleaginosas restantes, como a soja, girassol e palma. The micro-algae have the further advantage of "sequestering" carbon dioxide (C0 2) in its development process, thus contributing to the reduction of emissions of greenhouse gases to the atmosphere. For each ton produced micro-algae are consumed two tons of C0 2, that is, equivalent to up to twenty times more than the other oilseeds such as soya, sunflower and palm.
TÉCNICA RELACIONADA RELATED TECHNIQUE
A produção em larga escala de microalgas seja qual for a sua aplicação final, requer água, C02, nutrientes (N, P) e luz solar. O sol e o calor são fundamentais na cultura de microalgas que são cultivadas em estruturas próprias, denominadas fotobiorreatores, equipamentos que facilitam a captação desta luz. The large scale production of microalgae whatever the final application requires water, C0 2, nutrients (N, P) and sunlight. Sun and heat are fundamental in the cultivation of microalgae that are cultivated in their own structures, called photobioreactors, equipment that facilitate the capture of this light.
Os atuais fotobiorreatores apresentam técnicas e configurações construtivas variadas para um melhor aproveitamento à exposição da luz solar, bem como de agitação do fluido de cultivo. Dentre os métodos mais adotados para o cultivo de microalgas em escala industrial, voltados como fonte energética, a cultura em grandes tanques abertos ou fechados é predominante.  Today's photobioreactors feature varied construction techniques and configurations for optimal use of sunlight exposure as well as agitation of the culture fluid. Among the most adopted methods for cultivation of microalgae on an industrial scale, focused on energy sources, culture in large open or closed tanks is predominant.
Geralmente são conformados como uma estrutura de alvenaria em forma ovalada, rasa e dividida, de modo a formar no mínimo dois canais paralelos, sendo no mínimo um deles provido com pelo menos um agitador para movimentação da biomassa em suspensão. They are generally shaped like a masonry structure in shallow, divided oval shape to form at least two parallel channels, at least one of which is provided with at least one stirrer for moving the suspended biomass.
A agitação geralmente é promovida por bombeamento submerso, injeção de ar ou alternativamente por pás giratórias.  Agitation is generally promoted by submerged pumping, air injection or alternatively by rotating blades.
Neste conceito de cultivo, o volume da lagoa é estimado em função dos seguintes parâmetros: tempo de retenção hidráulico (T.re mínimo de 30 dias); carga orgânica aplicada (Cor, máximo de 2000 mg/L) e velocidade de movimentação, padronizada em torno de 0,15 m/s para a otimização da produção de algas.  In this cultivation concept, the pond volume is estimated according to the following parameters: hydraulic retention time (minimum re 30 days); applied organic load (Color, maximum 2000 mg / L) and movement speed, standardized around 0.15 m / s for the optimization of algae production.
Este último parâmetro, a movimentação, no entanto, está relacionado diretamente ao modo operante dos atuais fotobiorreatores, que além de revolver também forçam a biomassa em suspensão a realizar uma circulação dentro dos tanques, geralmente ovalados, dos fotobiorreatores.  This last parameter, the movement, however, is directly related to the operant mode of the current photobioreactors, which besides revolving also force the suspended biomass to circulate inside the generally oval tanks of the photobioreactors.
A circulação e a agitação do fluido de cultivo dentro do tanque são importantes ao bom desempenho do sistema fotossintético, pois movimenta a biomassa em suspensão, possibilitando uma homogeneização das microalgas à exposição da luz solar e aos nutrientes.  The circulation and agitation of the culture fluid inside the tank are important to the good performance of the photosynthetic system, as it moves the suspended biomass, allowing a homogenization of microalgae to sunlight exposure and nutrients.
É fácil compreender que somente no processo de circulação do fluido de cultivo no circuito a ser percorrido dentro de um tanque já existe uma perda de energia. No entanto, há uma perda maior de energia no processo de agitação e impulsão do fluido de cultura.  It is easy to understand that only in the process of circulating the cultivation fluid in the circuit to be traveled inside a tank is there a loss of energy. However, there is a greater loss of energy in the culture fluid agitation and thrusting process.
Os tanques de alvenaria e dimensões industriais apresentam uma configuração em que privilegia a área de exposição de luz solar, assim apresentam pouca altura e muita largura em cada canal de circulação. Consequentemente, uma grande área periférica do fluxo de fluido de cultivo fica em contato direto com a superfície do leito do tanque, provocando um constante vetor de arraste, que se propaga pelas sucessivas lâminas do fluxo até a superfície da massa fluida. Este problema de perda de carga nos leitos dos tanques tem sido combatido adotando-se nestas superfícies materiais que confiram um acabamento mais liso. Masonry tanks and industrial dimensions have a configuration that privileges the area of exposure of sunlight, thus having little height and much width in each circulation channel. Consequently, a large peripheral area of the culture fluid flow is in direct contact with the tank bed surface, causing a constant drag vector, which propagates through successive flow blades to the surface of the fluid mass. This one The problem of pressure drop in tank beds has been countered by adopting on these surfaces materials that give a smoother finish.
Contudo, um trecho dos atuais biorreatores de escala industrial não tem recebido a atenção dos pesquisadores. Nos sistemas em que o fluido de cultura é agitado e movimentado por meio de borbulhamento, existe uma grande perda de energia concentrada nos fossos de impulsão, principalmente devido às sucessivas e abruptas mudanças de direção impostas ao fluido durante o processo de impulsão no interior de um fosso impulsor padrão.  However, a snippet of current industrial scale bioreactors has not received the attention of researchers. In systems where the culture fluid is agitated and moved by bubbling, there is a large loss of energy concentrated in the push pits, mainly due to the successive and abrupt changes of direction imposed on the fluid during the push process within a standard impeller gap.
A configuração de um fosso de impulsão padrão, atualmente utilizado para promover a circulação nos tanques de cultivo de microalgas, consiste de um fosso em formato de paralelepípedo provido abaixo do fundo de um dos canais do tanque de cultivo. O fosso apresenta a mesma largura do dito canal; é dividido por uma parede vertical, transversalmente ao sentido de circulação do fluido, do que resultam duas colunas contíguas e também em forma de paralelepípedo. Cada uma destas duas colunas se conecta na parte superior com o canal do tanque e na parte inferior uma com a outra, pois a parede divisora não chega até o fundo do fosso. Na porção inferior da coluna à jusante é injetada, por meio de borbulhadores, uma quantidade de gás (que pode ser ar ou outro gás de interesse). Este gás, ao subir através do fluido provoca a circulação no sistema. O fluido do tanque entra no fosso em sentido descendente, na parte à montante do canal do tanque, passa por baixo da parede divisora do fosso e sobe com o gás pela parte à jusante do canal. Cada aresta das colunas de entrada e de saída do fosso, bem como as arestas inferiores na intersecção das colunas, também representa zonas de perda de carga.  The configuration of a standard impulse pit, currently used to promote circulation in microalgae growing tanks, consists of a parallelepiped shaped pit provided below the bottom of one of the growing tank channels. The gap has the same width as said channel; It is divided by a vertical wall, transversely to the direction of flow of the fluid, resulting in two adjacent columns and also in the form of parallelepiped. Each of these two columns connects at the top with the tank channel and at the bottom with each other, as the dividing wall does not reach the bottom of the pit. In the lower portion of the downstream column a quantity of gas (which may be air or other gas of interest) is injected by bubblers. This gas, when rising through the fluid causes circulation in the system. The fluid from the tank enters the pit downward in the upstream part of the tank channel, passes under the dividing wall of the pit and rises with the gas downstream of the channel. Each edge of the pit inlet and outlet columns, as well as the lower edges at the intersection of the columns, also represent pressure drop zones.
Torna-se fácil perceber que esta configuração construtiva comumente adotada nos fossos de impulsão de biorreatores de grande dimensão, provoca uma quebra drástica das camadas limites do fluxo da cultura de produção devido às mudanças bruscas da direção de circulação durante a passagem do fluido em seu interior. It is easy to see that this constructive configuration commonly adopted in large bioreactor thrust pits causes a dramatic break in the boundary layers of production culture due to sudden changes in the direction of circulation during the passage of fluid inside.
Sendo um fosso impulsor sempre provido com uma largura linear equivalente à largura do canal de circulação do tanque, consequentemente apresentará quatro vezes a mesma extensão linear como zona capaz de gerar perda de carga, pois cada uma das quatro arestas representa zona de alteração brusca de direção e de quebra de camadas limites do fluxo.  As an impeller pit always provided with a linear width equivalent to the width of the tank circulation channel, it will therefore have four times the same linear extension as a zone capable of generating pressure loss, since each of the four edges represents a zone of sudden change of direction. and layer breakage boundaries of the flow.
Deve-se salientar que no fosso impulsor do biorreator há a ação do borbulhamento do gás, que também gera perda de carga devido aos diversos vórtices gerados no fluido, e quanto maior o volume de gás necessário para alcançar a circulação necessária do fluido, maior será o consumo de energia do sistema.  It should be noted that in the bioreactor impeller gap there is the gas bubbling action, which also generates pressure drop due to the various vortices generated in the fluid, and the larger the volume of gas required to achieve the necessary fluid circulation, system power consumption.
A perda de carga para promover a circulação de todo o volume do fluido de cultura ao longo da extensão dos canais do tanque de cultivo representa de 10% a 20% do total absorvido pelo sistema em relação ao restante de gasto de energia que ocorre somente dentro do fosso impulsor.  The pressure drop to promote the circulation of the entire culture fluid volume along the length of the culture tank channels represents 10% to 20% of the total system absorbed relative to the remaining energy expenditure that occurs only within of the impeller gap.
Assim, a presente invenção visa oferecer uma nova opção de agitação e impulsão para biorreatores de escala industrial, de aplicação técnica simples e que permita uma maior viabilidade económica por ciclo de cultivo.  Thus, the present invention aims to offer a new stirring and thrusting option for industrial scale bioreactors of simple technical application which allows for greater economic viability per cultivation cycle.
Como resultado de pesquisas neste sentido, foi inventado o fosso fluidodinâmico aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento agora proposto.  As a result of research in this regard, the fluid-dynamical ditch applied in the now proposed bubbling horizontal loop bioreactors has been invented.
A preocupação no desenvolvimento deste novo sistema de agitação e impulsão é de baratear a etapa operacional de revolver e impulsionar a biomassa em suspensão, oferecendo uma opção de baixíssimo consumo energético, tornando competitivo o cultivo de grandes volumes de microalgas para fins de produção de biocombustíveis.  The concern in the development of this new agitation and thrust system is to cheapen the operational stage of revolving and boosting suspended biomass, offering a very low energy consumption option, making the cultivation of large volumes of microalgae for biofuel production competitive.
Outros objetivos que o fosso fluidodinâmico aplicado em fotobiorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento, objeto da presente invenção, se propõe a alcançar são a seguir elencados: a) Baratear custos de operação. Other purposes than the fluid dynamic ditch applied in Bubble-boosted horizontal circuit photobioreactors, object of the present invention, are intended to be achieved as follows: a) Lower operating costs.
b) Disponibilizar uma opção de agitação / impulsão com alta eficiência energética para reatores e biorreatores de propósitos diversos.  b) Provide a high energy efficient stirring / thrusting option for multipurpose reactors and bioreactors.
c) Ser facilmente adaptável em estruturas de reatores já em operação, capacitando-os a operar com este novo conceito de agitação / impulsão.  c) Easily adaptable to reactor structures already in operation, enabling them to operate with this new stirring / thrust concept.
d) Reduzir drasticamente do consumo de energia na agitação da cultura, chegando a até 90% de economia de energia consumida pelos fossos de impulsão atualmente disponíveis.  d) Drastically reduce energy consumption in crop agitation, reaching up to 90% energy savings from currently available impulse ditches.
e) Garantir a máxima eficiência do revolvimento da biomassa entre o fundo do tanque e a zona de iluminação ideal, com o menor custo e fácil implementação.  e) Ensure maximum efficiency of biomass revolving between the bottom of the tank and the ideal lighting zone, with the lowest cost and easy implementation.
f) Garantir a redução do custo energético em diversos processos químicos que fazem uso de reatores providos com fosso de impulsão.  f) Guarantee the reduction of the energy cost in several chemical processes that make use of impulse ditch reactors.
g) Permitir o uso de equipamentos de compressão de ar (gases) de menor capacidade volumétrica de vazão, portanto mais económicos e até mais simples.  g) Allow the use of air compression (gas) equipment with lower volumetric flow capacity, therefore more economical and even simpler.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO SUMMARY OF THE INVENTION
Refere-se a presente invenção a um dispositivo agitador e impulsor, mais especificamente um fosso fluidodinâmico, aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento, que compreende uma estrutura básica composta por uma fossa de configuração predominantemente em forma de paralelepípedo com acabamento curvilíneo, disposta de uma margem a outra de pelo mesmo um dos canais de um tanque.  The present invention relates to an agitator and impeller device, more specifically a fluid dynamic ditch, applied to bubbling horizontal circuit bioreactors, which comprises a basic structure composed of a predominantly parallelepiped shaped configuration tank having a curvilinear finish; arranged from edge to edge of at least one of the channels of a tank.
A fossa é provida com uma parede divisória vertical, transversalmente ao sentido de circulação do fluido, mas que não atinge o fundo da dita fossa. The pit is provided with a vertical partition wall, transversely to the direction of flow of the fluid but not reaching the bottom of said fossa.
A parede divide a fossa de modo que resultem duas colunas contíguas, e também predominantemente em forma de paralelepípedo. Cada uma destas duas colunas se conecta na parte superior com o canal do tanque e na extremidade inferior uma com a outra.  The wall divides the pit so that two contiguous columns result, and also predominantly cobblestone. Each of these two columns connects at the top with the tank channel and at the bottom end with each other.
A interseção da entrada e da saída da fossa com o leito do canal, e também a extremidade inferior da parede divisória vertical são providas por um acabamento curvilíneo com uma configuração em que podem ser identificadas as seguintes variáveis:  The intersection of the inlet and outlet of the pit with the channel bed as well as the lower end of the vertical partition wall are provided by a curvilinear finish with a configuration in which the following variables can be identified:
D1 - correspondente à distância entre as paredes internas da fossa; D3 - correspondente à distância entre o leito do tanque e a extremidade inferior da parede divisória vertical;  D1 - corresponding to the distance between the inner walls of the pit; D3 - corresponding to the distance between the tank bed and the lower end of the vertical partition wall;
D2 - correspondente à distância entre a extremidade inferior da parede divisória vertical e o fundo da fossa;  D2 - corresponding to the distance between the lower end of the vertical partition wall and the bottom of the pit;
R1 - correspondente ao raio de curvatura entre o leito do tanque e as paredes internas de entrada e de saída da fossa; R2 - correspondente ao raio de curvatura entre a base da fossa e as paredes internas de entrada e de saída da fossa;  R1 - corresponding to the radius of curvature between the tank bed and the internal inlet and outlet walls of the pit; R2 corresponds to the radius of curvature between the base of the pit and the inner walls of the inlet and outlet of the pit;
R3 - correspondente ao raio de curvatura entre a parede divisória vertical e a superfície do fluido;  R3 - corresponding to the radius of curvature between the vertical partition wall and the fluid surface;
R4 - correspondente ao raio de curvatura da parede divisória vertical.  R4 - corresponding to the radius of curvature of the vertical partition wall.
Cada uma destas variáveis que caracterizam a configuração da fossa obedece a parâmetros equacionais pré-calculados por modelagem computacional, capaz de moldar o fluxo do fluido de cultura dentro do fosso fluidodinâmico proposto, de modo a minimizar a quebra das camadas limites, tornando o fluxo o mais próximo de um regime laminar. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS  Each of these variables that characterize the configuration of the pit follows equational parameters pre-calculated by computational modeling, capable of shaping the flow of culture fluid within the proposed fluid dynamic ditch, in order to minimize the breakdown of the boundary layers, making the flow the same. closer to a laminar regimen. BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente a título de exemplo, acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, e nos quais: The invention will be described in more detail below in together with the following drawings, which, by way of example, accompany this report, of which it is an integral part, and in which:
A Figura 1 retrata uma vista esquemática de um tanque de cultura de microalgas provido de um fosso fluidodinâmico conforme proposto.  Figure 1 depicts a schematic view of a microalgae culture tank provided with a fluid dynamic ditch as proposed.
A Figura 2 apresenta uma vista em perspectiva isométrica da configuração construtiva preferida do referido fosso fluidodinâmico, aplicado em fotobiorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento.  Figure 2 presents an isometric perspective view of the preferred constructive configuration of said fluid dynamic ditch, applied to bubbling horizontal loop photobioreactors.
A Figura 3 retrata uma vista em corte do referido fosso fluidodinâmico aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento, com a indicação dos parâmetros relevantes. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO  Figure 3 depicts a cross-sectional view of said fluid-dynamic moat applied to bubbling horizontal loop bioreactors, indicating the relevant parameters. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
O fosso fluidodinâmico aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento, objeto da presente invenção, tem por objetivo reduzir o consumo de energia despendida durante o revolvimento da biomassa e impulsão do fluido de cultivo dentro de um fotobiorreator. Considerando que o objetivo da cultura de microalgas destina-se à produção de energia, torna-se imprescindível detectar e eliminar qualquer desperdício de energia relativo ao processo, para que o balanço energético final seja o mais proveitoso possível.  The fluid dynamic ditch applied to bubbling horizontal loop bioreactors, object of the present invention, is intended to reduce the energy consumption expended during biomass revolving and cultivation fluid thrust within a photobioreactor. Considering that the purpose of microalgae cultivation is for energy production, it is essential to detect and eliminate any waste of energy related to the process, so that the final energy balance is as profitable as possible.
A Figura 1 apresenta uma vista esquemática de um tanque (1) em que a impulsão é feita a partir de um fosso vertical de borbulhamento. A imagem já retrata o fosso fluidodinâmico (100), proposto pela atual invenção.  Figure 1 shows a schematic view of a tank (1) where the thrust is made from a vertical bubbling moat. The image already depicts the fluid dynamic ditch 100 proposed by the present invention.
A Figura 2 revela em detalhe uma vista esquemática em corte do fosso fluidodinâmico (100) aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento, que vem minimizar os problemas destacados anteriormente.  Figure 2 shows in detail a schematic cross-sectional view of the fluid dynamic ditch (100) applied to bubbling horizontal loop bioreactors, which minimizes the problems highlighted above.
Pode-se verificar que a invenção compreende basicamente uma fossa (110) de configuração predominantemente em forma de paralelepípedo, disposta de uma margem a outra de um dos canais (2) de um tanque (1 ) de cultivo de microalgas, de modo que a extremidade superior do fosso fluidodinâmico (100) seja provida ao mesmo nível do leito do dito canal. Alternativamente, podem ser providos, no mesmo tanque (1) e/ou canal (2), tantos fossos fluidodinâmicos (100) quanto às necessidades de projeto exigirem para manutenção do fluxo ideal. It can be seen that the invention basically comprises a predominantly parallelepiped configuration (110) disposed from one side to the other of one of the channels (2) of a microalgae cultivation tank (1), so that the upper end of the fluid dynamic ditch (100) is provided at the same level as the bed of said channel. Alternatively, in the same tank (1) and / or channel (2), as many fluid-dynamic pits (100) as the design requirements may require to maintain optimal flow may be provided.
O fosso fluidodinâmico (100) apresenta uma parede divisória vertical (120), transversalmente ao sentido de circulação do fluido. A dita parede divide a fossa (110) de modo que resultem duas colunas contíguas, uma primeira coluna (121 ) e uma segunda coluna (122), também predominantemente em forma de paralelepípedo.  The fluid dynamic dome 100 has a vertical dividing wall 120 transverse to the direction of flow of the fluid. Said wall divides the pit 110 so that two adjacent columns result, a first column 121 and a second column 122, also predominantly parallelepiped in shape.
Cada uma destas duas colunas (121 e 122) se conecta na parte superior com o canal (2) do tanque (1), e na extremidade inferior uma com a outra, pois a parede divisora vertical (120) não atinge o fundo da fossa (110).  Each of these two columns (121 and 122) connects at the top with the channel (2) of the tank (1), and at the bottom end with each other, as the vertical dividing wall (120) does not reach the bottom of the pit (110).
Na extremidade inferior da segunda coluna (122) é injetado gás por meio de borbulhadores (não mostrados na figura). Este gás, ao subir através do fluido em direção à superfície, provoca a circulação no sistema. O fluido do tanque (1 ) entra na fossa (110) em sentido descendente pela extremidade superior da primeira coluna (121) à montante do canal (2') do tanque (1), passa por baixo da parede divisória vertical (120) da fossa (110) e sobe com a impulsão do gás pela segunda coluna (122) para a parte à jusante do canal (2").  At the lower end of the second column (122) gas is injected by means of bubbles (not shown in the figure). This gas, when rising through the fluid towards the surface, causes circulation in the system. The fluid from the tank (1) enters the sump (110) downwards through the upper end of the first column (121) upstream of the channel (2 ') of the tank (1), it passes under the vertical partition wall (120) of the sump (110) and rises with the gas thrust through the second column (122) to the downstream portion of the channel (2 ").
Para que não ocorra perda de carga gerada pelas arestas de interseção da entrada e da saída da fossa (110) com o leito do canal (2), o fosso fluidodinâmico (100) provê a entrada da primeira coluna (121) à montante do canal (2'), a saída segunda coluna (122) para a parte à jusante do canal (2") e também a extremidade inferior da parede divisória vertical (120), com um acabamento curvilíneo. O referido acabamento obedece a parâmetros equacionais pré-calculados por modelagem computacional que resultam em uma configuração construtiva capaz de moldar o fluxo do fluido de cultura, de modo a minimizar a quebra das camadas limites, tornando o fluxo mais próximo de um regime laminar durante sua passagem pelo interior do fosso fluidodinâmico (100). In order to avoid loss of pressure generated by the intersecting edges of the inlet and outlet of the pit 110 with the channel bed 2, the fluid dynamic pit 100 provides the entry of the first column 121 upstream of the channel. (2 '), the second column outlet (122) to the downstream portion of the channel (2 ") and also the lower end of the vertical partition wall (120), with a curvilinear finish. obeys pre-computed equational parameters by computational modeling that result in a constructive configuration capable of shaping the flow of culture fluid to minimize the breakdown of boundary layers, bringing the flow closer to a laminar regime during its passage through the interior. of the fluid dynamic ditch (100).
Consequentemente, ao se obter um regime laminar, o fosso fluidodinâmico (100), aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento, poderá empregar um dispersor de gás de vazão muito mais reduzida dos que os utilizados atualmente.  Accordingly, in obtaining a laminar regime, the fluid-dynamic moat 100, applied to bubbling horizontal loop bioreactors, may employ a much smaller flow gas disperser than those currently used.
A Figura 3 revela uma imagem em corte da configuração construtiva do fosso fluidodinâmico (100), em que podem ser identificadas as seguintes variáveis essenciais para que a invenção realmente alcance a economia almejada. Assim temos:  Figure 3 shows a cross-sectional image of the constructive configuration of the fluid dynamic ditch 100, in which the following key variables can be identified in order for the invention to actually achieve the desired economy. Thus we have:
D1 = distância entre as paredes internas da fossa (110);  D1 = distance between the inner walls of the pit (110);
D3 = distância entre o leito do tanque (1) e a extremidade inferior da parede divisória vertical (120);  D3 = distance between the tank bed (1) and the lower end of the vertical partition wall (120);
D2 = distância entre a extremidade inferior da parede divisória vertical (120) e o fundo da fossa (110);  D2 = distance between the lower end of the vertical partition wall (120) and the bottom of the pit (110);
R1 = raio de curvatura entre o leito do tanque (1 ) e as paredes internas de entrada e de saída da fossa (110);  R1 = radius of curvature between the tank bed (1) and the internal inlet and outlet walls of the pit (110);
R2 = raio de curvatura entre a base da fossa (110) e as paredes internas de entrada e de saída da fossa (110);  R2 = radius of curvature between the base of the pit (110) and the inner walls of the inlet and outlet of the pit (110);
R3 = raio de curvatura entre a parede divisória vertical (120) e a superfície do fluido;  R3 = radius of curvature between the vertical partition wall (120) and the fluid surface;
R4 = raio de curvatura da parede divisória vertical (120).  R4 = radius of curvature of the vertical partition wall (120).
Para que o efeito de impulsão de um reator continue alcançando a velocidade ideal dentro dos canais (2) do tanque (1), e esteja de acordo com o padrão de circulação requerido ao processo químico ou bioquímico, mas de modo que se reduzam ao máximo os efeitos de vórtices gerados pelo borbulhamento do gás de impulsão, como também as perdas de carga devido às mudanças bruscas de sentido do fluxo dentro do fosso de impulsão, as variáveis de configuração acima reveladas devem ficar preferencialmente restritas a uma faixa de valores que obedeçam a critérios específicos. In order for the thrust effect of a reactor to continue to reach the optimum velocity within the channels (2) of the tank (1), and to conform to the circulation pattern required by the chemical or biochemical process, but in such a way that they are reduced to the maximum the effects of vortices generated by the impulse gas bubbling, as well as the losses of Due to sudden changes in the direction of flow within the thrust gap, the configuration variables disclosed above should preferably be restricted to a range of values that meet specific criteria.
Com um fosso assim projetado e conformado, obtém-se uma economia energética de até 80%, em comparação à energia atualmente consumida pelas indústrias e laboratórios do setor.  With such a designed and shaped gap, energy savings of up to 80% are achieved compared to the energy currently consumed by industry and laboratories in the sector.
Os critérios apresentados a seguir refletem parâmetros equacionais específicos, pré-calculados por modelagem computacional, e devem ser aplicados sobre o valor da área útil do tanque, expressa em metro quadrado. Assim, a partir de uma tabela gerada e da área efetivamente ocupada pelo fluido de cultura, pode-se rapidamente especificar os melhores valores para as variáveis de configuração do fosso fluidodinâmico (100) aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento. Por consequência, poderão ser especificados dispersores de ar de menor potência e, portanto, mais económicos.  The following criteria reflect specific equational parameters, pre-calculated by computer modeling, and should be applied to the value of the pond area, expressed in square meters. Thus, from a generated table and the area actually occupied by the culture fluid, one can quickly specify the best values for the fluid dynamic ditch configuration variables (100) applied to bubbling horizontal loop bioreactors. As a result, lower power air dispersers may be specified and therefore more economical.
A tabela apresentada adiante a título de exemplo revela valores mínimo e máximo de fatores que podem ser aplicados para a obtenção de cada variável de configuração do fosso fluidodinâmico (100). Desta forma, o seguinte procedimento de aplicação é adotado:  The table presented below by way of example reveals minimum and maximum values of factors that can be applied to obtain each configuration variable of the fluid dynamic ditch (100). Thus, the following application procedure is adopted:
Um valor de fator, correspondente a uma das variáveis, deve ser escolhido dentro da faixa de valores máxima e mínima possíveis para o dito parâmetro, e multiplicado pela raiz quadrada do valor da área útil (Au) pretendida para o projeto, expresso em metros quadrados. O resultado da operação será o valor dimensional a ser utilizado para a variável de configuração escolhida, expresso em decímetros:  A factor value, corresponding to one of the variables, must be chosen within the range of maximum and minimum possible values for that parameter, and multiplied by the square root of the intended floor area value (Au), expressed in square meters. . The result of the operation will be the dimensional value to be used for the chosen configuration variable, expressed in decimeters:
(AuA2) em m2 x fatorDI = D1 em dm (Au A 2) in m 2 x factorDI = D1 in dm
A partir da aí, obtém-se o valor dimensional das outras variáveis, pela mesma metodologia, aplicando-se na fórmula fatores escolhidos diretamente na mesma tabela de fatores, nas outras faixas de valores máxima e mínima das variáveis restantes. From there, the dimensional value of the other variables is obtained by the same methodology, applying the chosen factors in the formula. directly in the same factor table, in the other maximum and minimum value ranges of the remaining variables.
Estes fatores podem e devem ser selecionados de acordo com o tipo de fluido a ser impulsionado, sendo possível aplicar em reatores ou biorreatores, tanto em culturas de algas, como também em processamento de resíduos orgânicos.  These factors can and should be selected according to the type of fluid to be driven, and can be applied in reactors or bioreactors, both in algae cultures and in organic waste processing.
Desse modo, pode-se escolher um valor aleatório de fator, dentro da faixa de fatores de cada variável, que serão alcançadas economias significativas nas perdas de cargas geradas pelo sistema de impulsão por borbulhamento.  Thus, a random factor value within the factor range of each variable can be chosen that will achieve significant savings in the load losses generated by the bubbling drive system.
Uma configuração preferida para cultura de microalgas é apresentada a seguir na Tabela 1.  A preferred embodiment for microalgae culture is given below in Table 1.
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
Mas, para um experimento efetuado, os fatores que apresentaram os melhores resultados, chegando a atingir uma economia de até 90% em culturas de microalgas, podem ser representados por:  But, for an experiment performed, the factors that presented the best results, reaching savings of up to 90% in microalgae cultures, can be represented by:
(AuA2) em m2 x 1 ,5 = D1 em dm (Au A 2) in m 2 x 1, 5 = D1 in dm
(AuA2) em m2 x 0,2 = D2 em dm (Au A 2) in m 2 x 0.2 = D2 in dm
(AuA2) em m2 x 0,8 = D3 em dm (Au A 2) in m 2 x 0.8 = D3 in dm
(AuA2) em m2 x 0,4 = R1 em dm (Au A 2) in m 2 x 0.4 = R1 in dm
(AuA2) em m2 x 0,35 = R2 em dm (Au A 2) in m 2 x 0.35 = R2 in dm
(AuA2) em m2 x 0,4 = R3 em dm (Au A 2) in m 2 x 0.4 = R3 in dm
(AuA2) em m2 x 0,25 = R4 em dm (Au A 2) in m 2 x 0.25 = R4 in dm
É importante salientar que não basta prover o acabamento de um fosso de borbulhamento com formato arredondado para obter ganhos energéticos e resultados económicos, pois tal prática pode em algumas combinações de tipo de fluido, volume e velocidade envolvidos, acarretar uma perda energética equivalente àquela das quinas vivas atualmente empregadas. It is important to note that it is not enough to provide the finishing of a Round-shaped bubbling pit for energy gains and economic results, as such practice may, in some combinations of fluid type, volume and velocity involved, result in an energy loss equivalent to that of the currently employed live corners.
A indústria de biocombustíveis realmente necessita de resultados relevantes e comprobatórios para alcançar uma escala económica comercial reconhecida e que faça frente a outras culturas já estabelecidas.  The biofuels industry really needs relevant and substantive results to achieve a recognized commercial economic scale that meets other established cultures.
Com relação ao aproveitamento de tanques já existentes, não há impedimentos técnicos para converter biorreatores horizontais, de modo que possam funcionar com o fosso fluidodinâmico (100) aplicado em biorreatores de circuito horizontal com impulsão por borbulhamento agora proposto, bastando dotar o tanque existente com um fosso fluidodinâmico de alvenaria ou pré-fabricado.  Regarding the use of existing tanks, there are no technical impediments to converting horizontal bioreactors, so that they can operate with the fluid dynamic ditch (100) applied to the proposed bubbling horizontal loop bioreactors by simply providing the existing tank with a fluid-dynamical ditch of masonry or prefabricated.
A adoção do fosso fluidodinâmico (100) proposto, o qual é capaz de estabelecer baixa resistência ao deslocamento do fluido dentro do fosso e reduzir em até 90% a energia usualmente utilizada para a agitação e impulsão de cultivos, etapa energética critica do processo de produção em fotobiorreatores de escala industrial, abrirá também possibilidade de pesquisa de difusores de ar menos dispendiosos.  The adoption of the proposed fluid dynamic ditch (100), which is able to establish low resistance to fluid displacement within the ditch and reduce by up to 90% the energy commonly used for agitation and thrusting of crops, a critical energy stage of the production process. in industrial scale photobioreactors, it will also open the possibility of searching for less expensive air diffusers.
A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro que a invenção não está limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito.  The invention has been described herein with reference to its preferred embodiments. It should, however, be clear that the invention is not limited to such embodiments, and those skilled in the art will immediately realize that changes and substitutions may be made within this inventive concept described herein.

Claims

REIVINDICAÇÕES
FOSSO FLUIDODINAMICO APLICADO EM BIORREATORES DE CIRCUITO HORIZONTAL COM IMPULSÃO POR BORBULHAMENTO, o qual compreende uma estrutura básica composta por uma fossa (110) de configuração predominantemente em forma de paralelepípedo, disposta de uma margem a outra de um dos canais (2) de um tanque (1 ); a fossa (110) sendo provida com uma parede divisória vertical (120), transversalmente ao sentido de circulação do fluido e que não atinge o fundo da dita fossa (110); a referida parede divisória vertical (120) divide a fossa (110) de modo que resultem duas colunas contíguas: uma primeira coluna (121 ) e uma segunda coluna (122), também predominantemente em forma de paralelepípedo; cada uma destas duas colunas se conecta na parte superior com o canal (2) do tanque (1 ) e na extremidade inferior uma com a outra; sendo ainda caracterizado por a interseção da entrada e da saída da fossa (110) com o leito do canal (2), e também a extremidade inferior da parede divisória vertical (120), serem dotadas com um acabamento curvilíneo que obedece a parâmetros equacionais pré-calculados por modelagem computacional e que resultam em uma configuração construtiva capaz de moldar o fluxo do fluido de cultura, de modo a minimizar a quebra das camadas limites, tornando o fluxo mais próximo de um regime laminar durante sua passagem pelo interior do fosso fluidodinâmico (100), ditos parâmetros sendo: FLUIDODYNAMIC PATH APPLIED TO HORIZONTAL CIRCUIT BULLETOR BIORACTORS, comprising a basic structure composed of a predominantly parallelepiped configuration (110), disposed from one side to the other of one of the channels (2) of a tank (1 ); the sump (110) being provided with a vertical partition wall (120) transversely to the direction of fluid flow and not reaching the bottom of said sump (110); said vertical partition wall (120) divides the pit (110) so that two contiguous columns result: a first column (121) and a second column (122), also predominantly parallelepiped in shape; each of these two columns connects at the top with the channel (2) of the tank (1) and at the bottom end with each other; It is further characterized in that the intersection of the inlet and outlet of the sump (110) with the channel bed (2), and also the lower end of the vertical partition wall (120), are provided with a curvilinear finish that obeys pre-equational parameters. computed by computational modeling and resulting in a constructive configuration capable of shaping the flow of the culture fluid to minimize the breakdown of boundary layers, bringing the flow closer to a laminar regime as it passes through the fluid dynamic ditch ( 100), said parameters being:
D1 - correspondente à distância entre as paredes internas da fossa (110);  D1 - corresponding to the distance between the inner walls of the pit (110);
D3 - correspondente à distância entre o leito do tanque (1 ) e a extremidade inferior da parede divisória vertical (120);  D3 - corresponding to the distance between the tank bed (1) and the lower end of the vertical partition wall (120);
D2 - correspondente à distância entre a extremidade inferior da parede divisória vertical (120) e o fundo da fossa (110); R1 - correspondente ao raio de curvatura entre o leito do tanque (1) e as paredes internas de entrada e de saída da fossa (110); D2 - corresponding to the distance between the lower end of the vertical partition wall (120) and the bottom of the pit (110); R1 - corresponding to the radius of curvature between the tank bed (1) and the internal inlet and outlet walls of the pit (110);
R2 - correspondente ao raio de curvatura entre a base da fossa (110) e as paredes internas de entrada e de saída da fossa (110);  R2 corresponds to the radius of curvature between the bottom of the pit (110) and the inner walls of the inlet and outlet of the pit (110);
R3 - correspondente ao raio de curvatura entre a parede divisória vertical (120) e a superfície do fluido;  R3 - corresponding to the radius of curvature between the vertical partition wall (120) and the fluid surface;
R4 - correspondente ao raio de curvatura da à parede divisória vertical (120).  R4 - corresponding to the radius of curvature of the vertical partition wall (120).
2- FOSSO FLUIDODINAMICO APLICADO EM BIORREATORES DE CIRCUITO HORIZONTAL COM IMPULSÃO POR BORBULHAMENTO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os valores dimensionais para os parâmetros de configuração D1 , D2, R1 , R2, R3 e R4, do dito fosso fluidodinâmico (100), serem resultado do produto da raiz quadrada do valor da área útil (Au) pretendida, expresso em metros quadrados, pelo valor de um fator, escolhido dentro da faixa de valores máximo e mínimo possíveis para o respectivo parâmetro; o resultado da operação sendo o valor dimensional a ser utilizado para o parâmetro escolhido, expresso em decímetros, a saber:  Fluidodynamic moat applied to HORIZONTAL CURRENT BULLET CIRCUIT BIORACTORS according to claim 1, characterized in that the dimensional values for the configuration parameters D1, D2, R1, R2, R3 and R4 of said fluid dynamic ditch (100 ) are the result of the square root product of the desired floor area (Au) value, expressed in square meters, by the value of a factor chosen within the range of maximum and minimum possible values for the respective parameter; the result of the operation being the dimensional value to be used for the chosen parameter, expressed in decimeters, namely:
D1 - entre 0,5 e 4,5;  D1 - between 0.5 and 4.5;
D2 - entre 0,05 e 0,8;  D2 - between 0.05 and 0.8;
D3 - entre 0,4 e 1 ,6;  D3 - between 0.4 and 1.6;
R1 - entre 0,1 e 1 ,6;  R1 - between 0.1 and 1.6;
R2 - entre 0,1 e 1 ,225;  R 2 - between 0.1 and 1,225;
R3 - entre 0,1 e 1 ,6; e  R3 - between 0.1 and 1.6; and
R4 - entre 0,06 e 1 ,0.  R4 - between 0.06 and 1.0.
3- FOSSO FLUIDODINAMICO APLICADO EM BIORREATORES DE CIRCUITO HORIZONTAL COM IMPULSÃO POR BORBULHAMENTO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por alternativamente em um mesmo tanque (1 ) ou canal (2) poder ser provido tantos fossos fluidodinâmicos (100) quanto exigir as necessidades de projeto para a manutenção de um fluxo ideal. 3- FLUIDODYNAMIC PIT APPLIED IN HORIZONTAL CIRCUIT BIORRECTORS WITH BULLETING IMPULSION, according to claim 1, characterized in that alternatively in the same tank (1) or channel (2), as many fluid-dynamic pits (100) can be provided as the design requirements for maintaining an optimal flow may be required.
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