Desenvolvimento de modelos mecanísticos via CFD: análise dos fenômenos de transporte para fins de biosseparação em matrizes cromatográficas monolíticas

Abstract

Many studies have been developed concerning the preparation, modification and characterization of monolithic macroporous matrices. On the other hand, the investigation of transport phenomena in these matrices remains little explored. In this sense, the area of mathematical modeling offers alternatives to better understand the processes at the micro and macro level in these matrices. In the field of preparative chromatography, the geometrical and structural characteristics of the monolithic medium have a significant effect on transport properties, but few studies incorporate such characteristics in mathematical models to improve predictions. This work proposed to develop mathematical models, via computational fluid dynamics (CFD), that are able to predict different process scenarios and enable more assertive decision making for bioseparation purposes. The chromatographic support analyzed was the spongy, macroporous, highly interconnected polymeric matrix known as cryogel. These adsorbents offer low resistance to mass transfer and advection tends to be predominant. In order to better evaluate these mechanisms, the approach adopted here combines simultaneous mass transfer and fluid dynamics by coupling the momentum conservation laws into the mass conservation model. In all the proposed models of this thesis, a predominance of advection is perceived, through the scale analysis, represented by the Péclet's dimensionless number. Furthermore, it can be seen that the adsorption process is sensitive to changes in the velocity profiles, which are affected by the geometry of the porous medium. In parallel, the geometry of the monolithic medium influences the acceleration, vorticity, and deceleration profiles of the flow, which can promote different responses to the mass transfer process. New proposals for representative geometry of monolithic porous media have been encouraged for some years, although few applications are attributed to cryogels. Therefore, the thesis presents strategies for studying and evaluating transport phenomena in macroporous cryogels through mechanistic modeling using simplified representations of the monolithic network. Keywords: Mathematical modeling. Cryogel. Monolithic network. Transport phenomena. Cromatography. Computational Fluid Dynamics (CFD).Desenvolvimento de modelos mecanísticos via CFD: análise dos fenômenos de transporte para fins de biosseparação em matrizes cromatográficas monolíticas. Orientador: Luis Antônio Minim. Coorientador: Marcio Arêdes Martins. Muitos estudos foram desenvolvidos referente ao preparo, modificação e caracterização de matrizes macroporosas monolíticas. Por outro lado, a investigação dos fenômenos de transporte nestas matrizes permanece pouco explorado. Neste sentido, a área de modelagem matemática oferece alternativas para melhor compreender os processos a nível micro e macro nestas matrizes. No campo da cromatografia preparativa, as características geométricas e estruturais do meio monolítico têm efeito significativo nas propriedades de transporte, mas poucos estudos incorporam tais características nos modelos matemáticos para melhoria das predições. Este trabalho objetivou desenvolver modelos matemáticos, via dinâmica dos fluidos computacional (CFD), que sejam capazes de prever diferentes cenários de processos e viabilizar a tomada de decisões mais assertivas para propósitos de biosseparação. O suporte cromatográfico analisado foi a matriz polimérica, esponjosa, macroporosa e altamente interconectada conhecida como criogel. Estes adsorventes oferecem baixa resistência a transferência de massa e a advecção tende a ser predominante. A fim de melhor avaliar estes mecanismos, a abordagem aqui adotada combina a transferência simultânea de massa e a dinâmica dos fluidos, acoplando as leis de conservação de momento no modelo de conservação de massa. Em todos os modelos propostos desta tese, percebe-se uma predominância da advecção, por meio da análise de escala, representado pelo número adimensional de Péclet. Além disso, verifica-se que o processo de adsorção é sensível a alterações nos perfis de velocidade que, por sua vez, são afetados pela geometria do meio poroso. Paralelamente, a geometria do meio monolítico influencia os perfis de aceleração, vorticidade e desaceleração do escoamento, que podem promover respostas diferentes ao processo de transferência de massa. Novas propostas de geometria representativas de meios porosos monolíticos têm sido encorajadas há alguns anos, embora poucas aplicações sejam atribuídas aos criogéis. Portanto, a tese apresenta estratégias de estudo e avaliação de fenômenos de transporte nos criogéis macroporosos por meio da modelagem mecanística, utilizando representações simplificadas da rede monolítica. Palavras-chave: Modelagem matemática. Criogel. Rede monolítica. Fenômenos de transporte. Cromatografia. Fluido Dinâmica Computacional (CFD).