CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

Este trabalho teve como objetivo geral o desenvolvimento de um software de código aberto que permita o acoplamento de modelos CFD a heurísticas de otimização multiobjetivos, a fim de possibilitar a construção de configurações otimizadas de biorreatores industriais, incluindo fotobiorreatores para o cultivo de microalgas. A motivação para o desenvolvimento deste trabalho baseou-se na necessidade de se buscar equipamentos otimizados voltados para a indústria sucro-energética. O processo de otimização multidisciplinar de projetos já é amplamente difundida em várias áreas da engenharia. No entanto, esta aplicação de otimização multiobjetivos voltada para o desenvolvimento de equipamentos de alto rendimento para o setor sucroalcooleiro é algo inovador.

Desse modo, um software aberto denominado PyCFD-O foi desenvolvido. A aplicação do PyCFD-O foi realizada em dois estudos de caso. O primeiro estudo foi realizado em um reator contínuo, onde a análise da influência dos parâmetros geométricos na dinâmica do escoamento pode ser estendida para o caso de um fermentador contínuo para a produção de etanol. O segundo caso voltou-se para a aplicação em um reator airlift de circulação interna do tipo placa, voltado para o desenvolvimento de um fotobiorreator otimizado. Até a presente data não se encontrou na literatura técnica e científica nenhum trabalho relacionado ao processo de otimização multiobjetivo dos parâmetros geométricos acoplado com análise da hidrodinâmica do escoamento via CFD em FBRs. O desenvolvimento de fotobiorreatores no contexto do trabalho está inserido na aplicação deste tipo de equipamento para o reaproveitamento de subprodutos gerados na produção de etanol, como por exemplo, a vinhaça.

O software desenvolvido PyCFD-O mostrou-se robusto e versátil. Foram testadas duas implementações de métodos de otimização multiobjetivos, geradores de malhas e modelos de simulação numérica de escoamento: monofásico e bifásico. As técnicas de paralelização utilizadas para o processamento mostraram-se eficientes. O fato de se trabalhar com um software aberto possibilitou a aplicação do processamento paralelo sem nenhum custo adicional de licenças. O processamento paralelo para o processo de otimização é essencial,

devido às características inerentes do problema de otimização de avaliar centenas de geometrias e o custo computacional envolvido nas simulações CFD de cada geometria. Destaca-se neste trabalho as dimensões dos reatores envolvidos nas simulações, 1 000 litros e 61,5 litros para o reator contínuo e o airlift respectivamente.

Para os processos de otimização de ambos os reatores foram propostas modificações nas suas geometrias que possuem influência direta no escoamento e, consequentemente, nas reações químicas envolvidas (caso fermentador) e crecimento de algas (caso fotobiorreator). Dois parâmetros do escoamento foram considerados como função objetivo: a TCT ponderada e a variância da DTR. As geometrias que favorecem as melhores condições para o escoamento foram propostas através de um algoritmo genético aplicado à otimização multiobjetivo (NSGA-II).

O método de otimização por algoritmos genéticos se adequa perfeitamente à metodologia de MDO. O AG baseado em não-dominância apresentou-se satisfatoriamente robusto e os resultados mostraram uma tendência a encontrar um conjunto de soluções ótimas globais, a chamada fronteira de Pareto, embora os estudos realizados não permitam afirmar que as soluções encontradas no final de cada otimização seja de fato tal fronteira. Uma melhor definição da fronteira de Pareto pode ser alcançada através do ajuste dos parâmetros de otimização (probabilidade de mutação e crossover, número de gerações e números de indivíduos na população). Contudo, os resultados demonstram que o uso deste tipo de AG é bastante adequado para problemas de otimização multiobjetivo. O esquema de otimização proposto conduziu a soluções otimizadas para ambos os estudos de caso (reator contínuo e airlift), obtendo parâmetros coerentes para os melhores indivíduos da população, com valores bastante distintos para as váriaveis de projeto.

Variações consideráveis foram testadas pelo procedimento de otimização, explorando o espaço de parâmetros antes de identificar as melhores soluções. Para o reator contínuo ao final do procedimento de otimização multiobjeto foi possível obter uma fronteira não dominada com as melhores soluções encontradas no processo. Considerando as geometrias otimizadas e as geometrias base houve uma redução de até 47% na variância do tempo de residência e uma diminuição em 48% na TCT ponderada. Qualquer geometria na fronteira de Pareto pode ser utilizada para diferentes objetivos de projetos. Analisando-se as superfícies de resposta do caso do reator contínuo conclui-se que as geometrias com  entre 60 e 80 graus, juntamente com uma altura de saída (H_out) entre 1,2 e 1,3 metros apresentaram as melhores condições de projeto para os parâmetros de otimização avaliados. Um ângulo de entrada nesta faixa não causaria uma tensão de cisalhamento significativa na parede do reator. Uma maior

altura H_out ocasionaria uma permanência mais longa do fluido no reator, diminuindo-se assim a influência da tensão de cisalhamento no afunilamento da tubulação na saída do reator.

No reator airlift foram realizados estudos prévios visando-se obter uma maior compreensão da hidrodinâmica do escoamento e a validação dos dados simulados computacionalmente. Os resultados experimentais e simulados apresentaram uma boa concordância tanto qualitativamente quanto quantitativamente. Os resultados dos campos de velocidades obtidos com a técnica PIV e do tempo de mistura e circulação obtidos com a técnica pulso de pH permitiram validar a abordagem CFD satisfatoriamente. Foi possível verificar a influência da geometria na formação de zonas de recirculação e o tempo que a partícula traçadora despende nas regiões de riser e downcomer do fotobiorreator. A correta simulação desses parâmetros é um fator importante para futuras análises voltadas para o projeto de fotobiorreatores industriais. A utilização do modelo VOF para esta abordagem mostrou-se eficiente possibilitando a sua aplicação para futuros estudos.

A aplicação do PyCFD-O para a otimização multiobjetivo do reator airlift abordou a minimização da TCT ponderada e a variância da DTR. Como apresentado para o caso do reator contínuo foi possível obter uma fronteira não dominada com as geometrias otimizadas. Considerando-se a geometria base (dy 0,08 m e Hz 0,51 m) e a geometria otimizada (dy 0,054 m e Hz 0,46 m) houve uma redução de 28% na variância do tempo de residência e uma diminuição em 46% na tensão de cisalhamento ponderada.

Todas as adaptações e desenvolvimentos de códigos necessários nos solvers CFD aplicadas no OpenFOAM apresentaram resultados satisfatórios, demonstrando o potencial e adaptabilidade da utilização do pacote CFD OpenFOAM.

Assim sendo, este trabalho abre caminhos para novos estudos voltados para aprimorar equipamentos envolvidos na produção de biocombustíveis. Esta metodologia proporciona a possibilidade de aplicações diretas na indústria, como por exemplo, no desenvolvimento de projetos otimizados voltados para a indústria sucro-energética. Melhorias neste campo são um desafio para pesquisadores, o que torna o presente trabalho ainda mais motivador. Grande destaque merece ser dado à multidisciplinaridade do tópico, o qual enriquece o trabalho acadêmico.

O uso do software PyCFD-O pode ser estendido para a otimização multiobjetivo de outros tipos de equipamentos que envolvem a simulação computacional do escoamento, abrindo um grande leque de possíveis futuras aplicações.

6.1 Sugestões para trabalhos futuros

Devido à multidisciplinaridade do trabalho várias frentes de trabalhos futuros podem ser levantadas. A seguir, serão apresentadas algumas sugestões restringindo-se à continuidade dos trabalhos voltados ao desenvolvimento de biorreatores e fotobiorreatores:

 Aperfeiçoamento do software PyCFD-O, tal como implementação de uma interface gráfica;

 Utilização de técnicas de processamento paralelo em placas gráficas (GPGPU) para o processamento de rotinas dos modelos CFD (OpenFOAM);

 Estudo de novas técnicas de otimização multiobjetivos e aplicação de métodos híbridos de otimização (determinístico - estocástico);

 Implementação de um método de otimização com incertezas utilizando filtros Bayesianos, processo este aplicado à problemas de CFD transiente.

 Aprofundamento nos estudos de otimização para o processo de scale-up de reatores;

 Implementação de um modelo matemático que descreva o crescimento fototrófico das microalgas e acoplamento com o modelo CFD.

 Implementação de relação entre as taxas de crescimento de algas e os parâmetros estruturais do fotobiorreator;

 Busca de um fotobiorreator industrial otimizado para o problema do acoplamento bio-foto-fluidodinâmico;

 Verificação da utilização de metamodelos para redução do custo computacional envolvido nas simulações CFD;

 Desenvolvimento de metamodelos para a previsão dos parâmetros de otimização do modelo CFD;

 Utilização do software PyCFD-O no processo de otimização multiobjetivo aplicado ao projeto de reatores industriais de pré-tratamento (ESALQ-USP).