Diseño de un fotobiorreactor Airlift a escala banco

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    11-Feb-2017

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<ul><li><p>Diseo de un fotobiorreactor Airlift a escalabanco</p><p>Diego Rubio Fernndez?, Jennifer Alexandra Sierra Herrera??, Steven RuizFonseca? ? ?, Juan Andrs Sandoval Herrera</p><p>Grupo de investigacin BIOTECFUA</p><p>Fecha de entrega: 1 de noviembre de 2013Fecha de evaluacin: 20 de enero de 2014Fecha de aprobacin: 28 de marzo de 2014</p><p>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.</p><p>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.</p><p>Palabras Clave: fotobiorreactor Airlift, biomasa, microalgas.</p><p>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</p><p>?? Ingeniero Qumico. Programa de ingeniera qumica, facultad de in-genieras. Universidad de Amrica, Bogot, Cundinamarca, Colombia.electronico:ingjash@gmail.com</p><p>? ? ? 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</p></li><li><p>Revista Elementos - Nmero 4 - Junio de 2014</p><p>1. Introduccin</p><p>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].</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>2. Materiales y mtodos</p><p>2.1. Seleccin del material de los tubos concntricos</p><p>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].</p><p>En el presente trabajo se compararon cualitativamente tres materiales parala construccin del equipo: el acrlico, el polietileno y el vidrio flotado con base</p><p>124</p></li><li><p>Diseo de un fotobiorreactor Airlift</p><p>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.</p><p>Propiedad Valor (1 a 5) Acrlico rgido[26]</p><p>Polietileno altadensidad [27]</p><p>Vidrio flotado[28]</p><p>Calor especfico (J/kg K) 2 1465 2936,7 750Conductividad trmica(W/m K)</p><p>3 0,18 0,29 1</p><p>Transmisin de luz (%) 5 92 80 90Densidad (kg/m3) 3 1180 [945 a 960] 2500Energa Retenida (MJ kgm1)</p><p>3 13,5 72,8 15,9</p><p>Cuadro 1. Propiedades de los materiales de construccin.</p><p>2.2. Diseo base y dimensionamiento del fotobiorreactor</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>125</p></li><li><p>Revista Elementos - Nmero 4 - Junio de 2014</p><p>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.</p><p>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.</p><p>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.</p><p>Dr = [0.3 a 0.6]Dd (1)La altura total del equipo (H) (ecuacin (2)) tambin relaciona el lmite</p><p>mayor de dicho rango.</p><p>H = [3 a 6]Dd (2)A partir de la relacin de dimetros se calcula el volumen total del downcomer</p><p>(VTd) (ecuacin (3)) la cual se expresa en funcin del dimetro teniendo en cuentaque el volumen de un cilindro se expresa en funcin del rea (Abase) y la altura(H), donde Abase = 4D2d. Organizando algebraicamente se obtiene:</p><p>VTd =HD2d</p><p>4 (3)</p><p>El volumen del equipo se determina por la suma del volumen total deldowncomer (VTd) y las tapas del equipo (Vt). El volumen de las tapas se calculateniendo en cuenta su geometra y posicin en el FBR a travs de la ecuacin (4).</p><p>VT = VTd + Vt (4)Para este caso el valor (Vt) equivale a cero ya que no genera cambios al</p><p>volumen interno del FBR-ARL, porque se encuentran superpuestas a la parte</p><p>126</p></li><li><p>Diseo de un fotobiorreactor Airlift</p><p>superior del downcomer ; el clculo del volumen de operacin (Vop) se realizmediante la ecuacin (5). Se asume el punto medio del intervalo (0,8).</p><p>Vop [0.7 a 0.9]VT (5)</p><p>Tambin se realiz el clculo de la relacin de reas de transferencia, yla relacin de rea superficie en el reactor con las ecuaciones (6) y (7), puesstas influyen directamente en el crecimiento de biomasa y en la productividadvolumtrica del FBR, donde rd es el radio de downcomer, AT rea total y VTvolumen total.</p><p>ArAd</p><p>=D2r</p><p>4D2</p><p>d</p><p>4</p><p>(6)</p><p>ATVT</p><p>= 2 rd (H + rd)H + D</p><p>2d</p><p>4</p><p>(7)</p><p>2.3. Sistemas del fotobiorreactor (FBR)</p><p>Para maximizar las condiciones de produccin de biomasa se tuvo en cuentala implementacin de cuatro sistemas de monitoreo de las variables de procesoprincipales: sistema de agitacin, de iluminacin, sistemas de control de presiny temperatura.</p><p>Sistema de agitacin. El anlisis de este sistema implica la seleccin de loselementos que permitieron la distribucin de aire del FBR. Estos fueron el tipode compresor, el tipo de difusor, la potencia mnima requerida por el compresor,el caudal mnimo de entrada y de mezclado que se interrelacionan con el difusor.A continuacin se presentan las Ecuaciones (8) y (9) empleadas para definir lapotencia volumtrica PV del compresor la cual representa la energa necesariaque ejerce el caudal sumistrado para la agitacin dentro del equipo, la potenciavolumtrica se relaciona directamente con la potencia por unidad de tiempo (P ),pues la variacin en la velocidad de flujo del fluido produce un cambio en la fuerzamotriz del compresor. Se calcula de acuerdo con el procedimiento propuesto porKochem (2010):</p><p>P</p><p>V= gVg</p><p>1 + AdAr(8)</p><p>Donde, PV es la potencia requerida por metro cubico (W/m3), es la densidaddel agua (kg/m3), g es la gravedad (m/s2), Ad y Ar son las reas del downcomery del riser, respectivamente, en m2 y Vg es la velocidad superficial del gas (m/s).Basndose en el rea superficial del reactor, este Vg se calcula con la ecuacin (9)donde Q es el caudal de aire en (m3/s), p es la presin del compresor en (bar) yP es la potencia del equipo en (kilowatts).</p><p>127</p></li><li><p>Revista Elementos - Nmero 4 - Junio de 2014</p><p>Vg =Q</p><p>Ad +Ar(9)</p><p>Q = P 600p</p><p>(10)</p><p>El dimensionamiento del difusor involucr el anlisis de la geometra delmismo, escogiendo la de tipo disco gracias a las ventajas que ste presenta en elacoplamiento con la estructura del equipo, as como tambin su relacin con elclculo del caudal de entrada, de mezclado y con el nmero de orificios.</p><p>El mtodo utilizado para el clculo del nmero de orificios aproximado serealiz fijando como primer parmetro la relacin de dimetros, seguido deldespeje del factor de correccin, de acuerdo con las ecuaciones de [8] entonces:</p><p>d</p><p>D= dimetro</p><p>D(11)</p><p>Donde: d es el dimetro del orificio (m) y D es el dimetro de la tubera en(m). Para el clculo de la cada de presin y el factor de correccin, se tiene encuenta que estos dependen de la altura y dimetros del reactor. Haciendo uso dediversas analogas y resultados de investigaciones anteriores el autor describe lasecuaciones (12) y (13):</p><p>P (difusor) = 0.01 + 0.2(</p><p>1 e(d2H ))</p><p>(12)</p><p>Donde: d, dimetro de la tubera (m), H, altura de reactor (m), P cambio depresin. La ecuacin (13) la obtuvo el autor luego de analizar el comportamientodel factor de correlacin con el cambio del nmero de Reynolds y permite elajuste del factor de correccin, a travs de:</p><p>Cdor = 0.82(t</p><p>d</p><p>)0.12= 0.82</p><p>(d</p><p>D</p><p>)0.12(13)</p><p>Donde: Cdor es el factor de descarga en el orificio y td , es la relacin entre elespesor y dimetro de orificios en el difusor. Y por expresar una prdida en lapresin del equipo se puede relacionar tambin con la relacin de dimetros delmismo.</p><p>Para el clculo del caudal inicial tentativo del orificio, teniendo en cuenta lasimilitud con el medidor de flujo de placa de orificio y las siguientes consideracionessegn [10]:</p><p> La similitud que tiene con una placa de orificio en cuanto a la distribucindel fluido, ya que este permite una contraccin rpida y repentina en reascercanas al orificio y una inmediata expansin a lo largo del tubo luego deregresar a el dimetro mayor de este.</p><p> Las cadas de presin son similares en las alcanzadas por otras geometrasde medicin de flujo variable. Sin embargo, una ventaja importante en estatipologa hace referencia al factor de descarga del medidor, el cual es menor</p><p>128</p></li><li><p>Diseo de un fotobiorreactor Airlift</p><p>que en los medidores de tubo Venturi o en boquillas y, como consecuencia,las cadas de presin tambin lo son.</p><p>El procedimiento de clculo se realiz por medio del despeje de las ecuaciones(14) y (15).</p><p>Qo = CdAo 2gP(</p><p>1 AoAl)2 (14)</p><p>Donde: Qo, caudal inicial del orificio. Cd, coeficiente de descarga. Ao, rea delorificio. Al, rea de la tubera. P , cambio de presin. g gravedad. Cono...</p></li></ul>