Diseño de un fotobiorreactor Airlift a escala banco

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  • Diseo de un fotobiorreactor Airlift a escalabanco

    Diego Rubio Fernndez?, Jennifer Alexandra Sierra Herrera??, Steven RuizFonseca? ? ?, Juan Andrs Sandoval Herrera

    Grupo de investigacin BIOTECFUA

    Fecha de entrega: 1 de noviembre de 2013Fecha de evaluacin: 20 de enero de 2014Fecha de aprobacin: 28 de marzo de 2014

    Resumen En este trabajo se evalu un Fotobiorreactor tipo Airlift(FBR) a escala banco para el cultivo y generacin de biomasa microalgal.El proceso de evaluacin se desarroll en diferentes etapas desde el anlisisde variables de diseo, seleccin de materiales, ensamblaje del equipo ypre-experimentacin.El equipo comprende cuatro subsistemas: presin, temperatura, agitaciny lumnico; cada uno de estos es descrito de acuerdo con los parmetrosrelevantes que garantizan el adecuado diseo terico de los mismos. Elfuncionamiento del equipo fue verificado lo que permiti la determinacinde las condiciones y rangos de operacin bsica del fotobiorreactor.

    Abstract This paper evaluates a bench-scale airlift photobioreactor(PBR) for the culture and generation of microalgal biomass. The eva-luation process was developed in different stages from the analysis ofdesign variables, selection of materials, equipment assembly, and pre-experimentation. The equipment has four sub-systems: pressure, tempe-rature, mixing, and light. Each one of those is described according to therelevant parameters that guarantee their adequate theoretical design. Thefunctioning of the equipment was verified and this allowed us to determinethe conditions and ranges of the photobioreactor basic operation.

    Palabras Clave: fotobiorreactor Airlift, biomasa, microalgas.

    Keywords: Airlift photobioreactor, biomass, microalgae.? Bilogo. MsC en Ciencias Biologa, Universidad Nacional de Colombia. DocenteInvestigador Tiempo Completo Grupo BIOTECFUA, Universidad de Amrica Bogot,Colombia. diego.rubio@profesores.uamerica.edu.co

    ?? Ingeniero Qumico. Programa de ingeniera qumica, facultad de in-genieras. Universidad de Amrica, Bogot, Cundinamarca, Colombia.electronico:ingjash@gmail.com

    ? ? ? Ingeniero Qumico. Programa de ingeniera qumica, Facultad de Ingenieras. Univer-sidad de Amrica, Bogot, Cundinamarca. Colombia. steven90rf@hotmail.com Ingeniero Qumico. Master en Formulacin y Tecnologa del Producto, UniversidadInternacional de Andaluca, Espaa. Docente universidad de Amrica. Co-directordel proyecto. juan.sandoval@profesores.uamerica.edu.co

  • Revista Elementos - Nmero 4 - Junio de 2014

    1. Introduccin

    El concepto fundamental de fotobiorreactor se centra en equipos que permitencultivos libres de contaminacin y con la capacidad de proveer las condicionesbsicas ideales para microorganismos fottrofos como microalgas (Molina et al,1999;). Al contextualizar la definicin en aspectos ms tcnicos, se pueden definirlos fotobiorreactores (FBR) como contenedores o recipientes transparentes quetienen como ventajas operativas la capacidad de monitoreo de las condiciones delos cultivos y en algunos casos el control riguroso de las variables que intervienenen el proceso de produccin, la disminucin de la probabilidad de contaminacinde los cultivos, el potencial de uso en procesos ambientales como la filtracin deaguas, la captura de CO2, acoplados con la obtencin de biomasa y de compuestosde alto inters industrial [5,14,30].

    El conocimiento actual a nivel de fotobiorreactores es extenso, generado apartir de problemas cada vez ms particulares y especficos como la aplicacinde dinmica de fluidos al diseo de fotobiorreactores [18], la captura de CO2 y eltratamiento de aguas acoplada al escalamiento de biorrefineras, aplicacin dedinmica de fluidos computacional para definir las condiciones de iluminacinde la biomasa, transferencia de CO2 a la biomasa, la transferencia de luz, lainteraccin entre modelos fotosintticos y procesos de produccin de biomasa,entre otros.

    Sin embargo, las aplicaciones de cultivo en fotobiorreactor a nivel industriales decir, en biorrefinerias, son an limitadas debido principalmente a los costosoperativos de los procesos que en muchas oportunidades no pueden competir conotro tipo de cultivos como el de la palma de aceite, ni con el precio del petrleoen caso de aplicaciones de biocombustibles [22]. El diseo de fotobiorreactoresimplica la aplicacin de conceptos biolgicos [22] y su interaccin desde el puntode vista de diseo e ingeniera.

    Estos fundamentos tericos se tuvieron en cuenta para desarrollar un procesode diseo y puesta en marcha de un FBR a escala banco. Se inicia con laidentificacin de los tipos, las configuraciones, los parmetros y variables queafectan el funcionamiento del FBR. Seguido de la seleccin de los materiales parasu construccin, ensamble y ajuste de las condiciones de operacin del mismo,analizado a partir de principios tericos.

    2. Materiales y mtodos

    2.1. Seleccin del material de los tubos concntricos

    En general los fotobiorreactores se fabrican en materiales de construccin quecumplan con caractersticas de alta transparencia, flexibilidad, durabilidad, toxici-dad nula, resistencia a productos qumicos, resistencia a la intemperie y bajo costo(Tabla 1); as mismo, que presenten otra serie de propiedades fsicas, mecnicas,qumicas y trmicas [2,29].

    En el presente trabajo se compararon cualitativamente tres materiales parala construccin del equipo: el acrlico, el polietileno y el vidrio flotado con base

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  • Diseo de un fotobiorreactor Airlift

    en las principales propiedades de cada material (cuadro 1) los cuales fueronseleccionados por el efecto sobre el medio de cultivo y el crecimiento de biomasa:el calor especfico, la conductividad trmica, transmisin de luz, la energa retenidaen las paredes del material.

    Propiedad Valor (1 a 5) Acrlico rgido[26]

    Polietileno altadensidad [27]

    Vidrio flotado[28]

    Calor especfico (J/kg K) 2 1465 2936,7 750Conductividad trmica(W/m K)

    3 0,18 0,29 1

    Transmisin de luz (%) 5 92 80 90Densidad (kg/m3) 3 1180 [945 a 960] 2500Energa Retenida (MJ kgm1)

    3 13,5 72,8 15,9

    Cuadro 1. Propiedades de los materiales de construccin.

    2.2. Diseo base y dimensionamiento del fotobiorreactor

    El diseo base de fotobiorreactores hace referencia a su configuracin geomtrica[5]. Desde este punto de vista las configuraciones son bsicamente en formarectangular o de panel plano y en forma de cilindro o reactores tubulares, buscandouna relacin adecuada superficie-volumen que permita maximizar el paso de luzen el espacio del fotobiorreactor.

    Los reactores tipo Airlift son una variacin de los reactores tubulares. Laprincipal diferencia entre los reactores Airlift y las columnas de burbujeo radicaen el tipo de flujo del fluido o mezcla gas-lquido. En la columna de burbujeo oen el FBR tubular, no se controla el patrn generado por la interaccin entre elgas y el lquido. Por el contrario, en los reactores tipo Airlift (ARL), diseo quecuenta con dos tubos concntricos, el cilindro interior riser permite canalizar elflujo de aire y por lo tanto de la mezcla gas-lquido, generndose flujo ascendente..El cilindro externo downcomer, genera un espacio para el flujo descendentedel lquido posterior a su desgasificacin. En otras palabras, los procesos detransferencia de luz y transferencia de masa se dan de forma separada en elFBR-ARL.

    As mismo, este tipo de diseo tiene una influencia significativa en la dinmicade fluidos del reactor y por lo tanto en el rendimiento y la productividad debiomasa [18]; y al ser sus patrones hidrodinmicos ms definibles, se hace posibledesarrollar modelos predictivos con una buena confiabilidad. Por tal motivo,en este caso de estudio se seleccion el diseo de un fotobiorreactor Airlift(FBR-ARL), con configuracin de tubos.

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    Para las consideraciones de diseo del FBR-ARL se emplearon ecuacionesque permitieron el dimensionamiento del equipo especificando el dimetro delriser y downcomer, el volumen y altura total, as como el volumen y la altura deoperacin. Por lo tanto el procedimiento de clculo se inici estableciendo comoconsideracin inicial el dimetro del riser (Dr), teniendo en cuenta la viabilidadde manipulacin y la disponibilidad del material en el mercado con las medidasrequeridas.

    La adecuada seleccin del dimetro del riser, tiene un efecto significativo enlas medidas del dimetro y altura del downcomer, puesto que el aumento o ladisminucin de estas influyen directamente en la distribucin de luz dentro delFBR-ARL, los fenmenos de transferencia y la productividad volumtrica delFBR. Las siguientes consideraciones son la evidencia fsica de dicha influencia: siexiste aumento, se pueden presentar sucesos tales como: aumento en las zonasoscuras, mala distribucin de aire dentro del rea de transferencia; debido a quela mayora de gas permanece mayor tiempo en el canal de ascenso aumentan-do su acumulacin en la parte superior y por ende, la formacin excesiva deespuma. Por el contrario, si se presenta disminucin, conllevara la aparicin dela fotoinhibicin por aumento en la intensidad lumnica, la generacin de unaacelerada distribucin de gases a lo largo del canal de descenso, lo cual puedellegar a producir turbulencias, y en general, afectara el crecimiento microalgaldentro del equipo.

    Las ecuaciones de dimensionamiento [12] permiten relacionar las medidasbsicas del FBR-ARL. Para el clculo del dimetro del downcomer [ecuacin (1)]se despeja Dd tomando el lmite superior del rango (0.6) como valor de referenciacon el fin de obtener el valor mximo de dicho dimetro.

    Dr = [0.3 a 0.6]Dd (1)La altura total del equipo (H) (ecuacin (2)) tambin relaciona el lmite

    mayor de dicho rango.

    H = [3 a 6]Dd (2)A partir de la relacin de dimetros se calcula el volumen total del downcomer

    (VTd) (ecuacin (3)) la cual se expresa en funcin del dimetro ten