Orientador: Francisco Maugeri Filho

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo: Neste trabalho foi proposto um modelo matemático para descrever o comportamento de coluna cromatográfica por afinidade. O processo foi modelado a partir dos balanços de massa de uma coluna de leito fixo e equações cinéticas de adsorção levando consideração também a resistência à...

Resumo: Neste trabalho foi proposto um modelo matemático para descrever o comportamento de coluna cromatográfica por afinidade. O processo foi modelado a partir dos balanços de massa de uma coluna de leito fixo e equações cinéticas de adsorção levando consideração também a resistência à transferência de massa externa e a dispersão axial, Obteve-se um sistema de equações diferenciais. A resolução numérica deste sistema foi obtida utilizando-se, simultaneamente, os métodos de Crank-Nicholson e Runge-Kutta de quarta ordem. A validade do modelo foi verificada a partir de dados experimentais obtidos da literatura, sendo que o parâmetro de ajuste do modelo proposto foi a porosidade do leito. Com o intuito de verificar as influências dos parâmetros cinéticos e condições de operação na eficiência de colunas de adsorção, foi realizado um estudo paramétrico. Em ambas escalas estudadas (de laboratório e de produção industrial), foi observado que a porosidade, velocidade superficial e diâmetro da coluna são os parâmetros de maior sensibilidade. No entanto, foi demonstrado que a operação de uma coluna de adsorção por afinidade apresenta considerável estabilidade, haja vista que nenhum parâmetro afeta significativamente a operação da coluna. Por outro lado, parâmetros como Qm (capacidade máxima de adsorção), k1 e k2 (constantes cinéticas de adsorção) devem ser otimizados antecipadamente, através da escolha do adsorvente e condições de adsorção desejáveis. E ainda, com relação aos problemas de limitações do processo de adsorção dentro da coluna, foi observado que o processo é limitado pela taxa de reação, podendo ser negligenciados os problemas de transferência de massa. Para diferentes valores do coeficiente de dispersão, foi possível verificar que a coluna opera aproximadamente como um reator tubular ideal. As conclusões de que se pode desprezar tanto os problemas de transferência de massa como os de dispersão, podem simplificar significativamente a modelagem e simulação de colunas de adsorção por afinidade

Abstract: In this work a mathematical model was proposed to describe the behavior of affinity chromatographic column. The process was modeled from mass balance and affinity adsorption kinetics equations in a fixed-bed column. By considering the extern mass transfer resistance and axial dispersion a...

Abstract: In this work a mathematical model was proposed to describe the behavior of affinity chromatographic column. The process was modeled from mass balance and affinity adsorption kinetics equations in a fixed-bed column. By considering the extern mass transfer resistance and axial dispersion a set of differential equations was obtained. A combination of the Crank-Nicholson and Runge-Kutta fourth order numerical methods was used in the simulation procedure. The model validity was verified using experimental data from the literature. The adjustment parameter was the void column. This same model was used to predict the behavior of large-scale adsorption columns. A parametric study was performed in order to study the influence of both kinetics and operating conditions in the adsorption column efficiency. The more sensitive parameters were showed to be the porosity, superficial velocity and column diameter for both scales analyzed. It was showed, however, that an affinity adsorption column operation is very stable since no parameters \significantly affects the column operation. On the other hand, parameters like Qm (the maximum adsorption parameter), k1 (the forward kinetic constant) and k2 (the backward kinetic constant) must be optimized previously by choosing the suitable adsorption conditions and adsorbent. Also, looking into the limitation problems of the adsorption process inside the column, it was showed that the process is rate reaction limited, so that mass transfer problems can be neglected. By changing the dispersion coefficient it was also showed that the column operate nearly of an ideal plug flow reactor. Both findings no mass transfer problems and no dispersion problems can simplify the modelling and simulation of affinity adsorption columns