INGENIERIA DE BIORREACTORES

PROYECTO

EQUIPO: 6 GRUPO: 5BV1

INTEGRANTES:

León Medina Alejandro Josué Marías Burgos Samuel Orozco Guerra Luz Gabriela Rodríguez Cruces Erick de Jesús

FECHA DE ENTREGA:

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: Obtener biodiesel a partir del cultivo de Chlorella vulgaris en un fotobiorreactor de

columna de burbujeo Diseño y análisis de un fotobiorreactor de columna de burbujeo para la producción de

Chlorella vulgaris usando las herramientas básicas de la ingeniería.

OBJETIVOS PARTICULARES: Definir el volumen de operación, parámetros cinéticos y las condiciones para el

crecimiento del microorganismo. Realizar una simulación mediante software (scilab). Para observar el comportamiento de

sustrato, producto y biomasa con el paso el tiempo Diseño de los sistemas de agitación-aireación, transferencia de calor y de masa en un

fotobiorreactor de columna de burbujeo para satisfacer las necesidades metabólicas del microorganismo logrando una producción eficiente.

ANTECEDENTES

RESEÑA HISTÓRICA

El uso de fotobiorreactores data de finales de 1940 y resultan como consecuencia de las investigaciones acerca de la fotosíntesis con la microalga Chlorella y desarrollándose primero los reactores cerrados dado a su mayor control y optimización del proceso.

Uno de los primeros sistemas cerrados fue realizado en la universidad de Stanford, el cual se basaba en un sistema de columnas de burbujeo enriquecido con bióxido de carbono, operando con luz natural y artificial.

Posteriormente a principios de los 1950 se realizó la primera planta piloto para la producción de microalgas en Massachusetts. Simultáneamente, en Japón, se realizaron investigaciones en fotobiorreactores de serpentín. Descubrieron que la productividad del fotobiorreactor se ve influenciada por la irradiación que incide en el mismo, un mezclado vigoroso y el control de la temperatura.

Con el paso del tiempo se desarrollaron distintos diseños de fotobiorreactores de columnas, de serpentín, de placas y tubulares, en distintos tamaños y materiales.

A nivel industrial, son pocos los ejemplos de fotobiorreactores de cultivo de microalgas, a finales de los 1980, se instaló un fotobiorreactor tubular con patente de diseño Pirt con fallas en el escalamiento y en la elección del material de construcción, a finales de 1990, se construyó uno al norte de argentina con fallas en el mezclado y una baja productividad.

INTRODUCCIÓN

La búsqueda de formas de energías alternativas, la problemática del calentamiento global y el agotamiento del petróleo, han motivado a la biotecnología para la producción de nuevos combustibles, el biodiesel es uno de los más importantes, siendo producido mediante el tratamiento de lípidos que se encuentran habitualmente en distintas clases de biomasa.

Los biocarburantes son combustibles líquidos de origen biológico, que pueden sustituir a la gasolina o el gasóleo, bien de manera total o bien de manera parcial, mediante mezclas o como aditivos. En el caso de la gasolina, su sustitutivo es el bioetanol, compuesto procedente de la fermentación de los azúcares y/o el almidón contenidos, principalmente, en los cereales y la caña de azúcar. En el caso del gasóleo, el biodiesel se obtiene a partir del procesamiento de aceites vegetales, tales como los procedentes de semillas de plantas oleaginosas (colza, girasol, palma y soja, principalmente).

Los biocarburantes líquidos, al proceder de plantas cuyo crecimiento se basa en la fijación de CO2 a través de la fotosíntesis, representan una alternativa al consumo del petróleo, con capacidad potencial para mejorar la eficiencia energética en el transporte y reducir las emisiones de GEI. Adicionalmente, los biocarburantes pueden contribuir a reducir la dependencia energética del petróleo en países altamente dependientes, como España, al tiempo que representa una alternativa de actividad productiva para el medio rural.

El inmejorable efecto de estos combustibles es la reducción, en buena parte, de los gases nocivos emitidos por los motores de combustión: monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, compuestos volátiles, plomo, etc.

Se limitaría, de este modo, el calentamiento global de la atmósfera debido al efecto invernadero por culpa del dióxido de carbono desprendido en la combustión de los derivados del crudo.

Los lípidos son uno de los principales componentes de las microalgas; dependiendo de la especie y de las condiciones de crecimiento, los lípidos pueden constituir entre un 2 – 60 % de la materia seca total como componentes de la membrana, productos de almacenamiento, metabolitos y conservación de la energía.

Los lípidos se pueden utilizar como combustible líquido adaptado a motores como Straight Vegetable Oil (SVO). Los triglicéridos y los ácidos grasos libres (una parte del contenido total de lípidos) se pueden convertir a biodiesel. En comparación con los motores SVO, el aceite de algas es insaturada en su mayor medida por lo que es menos apropiado para la combustión directa en motores sensibles.

En el presente proyecto se muestra el fundamento acerca del cultivo microalgal, de una especie con alto contenido lipídico, en un fotobiorreactor para la producción de biomasa, la cual será tratada posteriormente para la fabricación de biodiesel.

DEFINICIÓN DE FOTOBIORREACTOR

Es un reactor que incorpora algún tipo de fuente de luz para proporcionar una fuente de energía fotónica en el reactor. Dicho término es comúnmente utilizado para definir un sistema cerrado, frente a un estanque. Debido a que estos sistemas son cerrados, el cultivo de microalgas no interactúa con los gases del medio ambiente evitando su contaminación. Se debe introducir en el sistema un medio de cultivo que proporcione todos los nutrientes esenciales para el crecimiento de las microalgas, con el fin de maximizar la producción de la biomasa (Chisti 2007).

Los fotobiorreactores son sistemas complejos compuesto por varios subsistemas.

Principales sistemas: Fuente de luz, Sistema de Manejo de Aire, Sistema de intercambio de gas, Sistema de nutrientes, Sistema de filtración (para eliminar la biomasa de algas), Sistemas eléctricos, Sistemas de Instrumentación.

Principales sub-componentes: Los sensores de oxígeno y CO2, Sensor de temperatura, Sensor de pH, Bomba de recirculación, Válvula de inyección de CO2, Bomba de substrato, Válvulas de circulación, Sistema de liberación de oxígeno.

FOTOBIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJEO

Estos fotobiorreactores son compactos, de bajo costo, y fácil de operar. Por otra parte, son muy prometedores para el cultivo a gran escala para las microalgas. Las virtudes de este tipo de fotobiorreactor son la alta transferencia de masa, una buena mezcla, bajo consumo de energía, alto potencial de escalabilidad, fácil de esterilizar y presenta una notable reducción de fotoinhibición. Las limitaciones son las pequeñas áreas de iluminación de superficie, su construcción requiere de materiales sofisticados, alto esfuerzo cortante de cultivos de algas, disminución del área de iluminación, superficie sobre la extensión del fotobiorreactor.

Figura 1. a) Fotobiorreactor con base funcional como intercambiador de calor b) Base opcional c) Vista superior del rociador

FOTOBIORREACTOR TUBULAR

Son adecuados para cultivos en exteriores bajo la acción de la radiación solar. Consiste de colector solar, conformado de un arreglo de tubos rectos transparentes, generalmente de plástico o vidrio, cuya su función es capturar la mayor cantidad de luz solar posible para el cultivo microalgal presente en su interior. El cultivo de microalgas es un batch alimentado el cual es circulado desde un almacenamiento o reserva, hacia el colector solar y posteriormente regresa al punto inicial de almacenamiento. La circulación, la aireación y la desgasificación, generalmente se hace por un sistema airlift. Análogamente muchos de estos sistemas requieren el uso de agitadores estáticos para tener buenos niveles de mezcla en el medio y un óptimo aprovechamiento de la radiación solar. Los diseños de estos fotobiorreactores puede incluir el serpentín tubular organizado de manera horizontal, vertical, cónica, inclinada, entre otras. El colector solar es orientado de tal manera que se maximice la captura de luz solar, Los tubos son ubicados paralelos entre sí y planos sobre el suelo. Los tubos siempre son orientados Norte-Sur. La iluminación artificial es técnicamente factible, pero costosa en comparación con la iluminación natural. Las ventajas de los fotobiorreactores tubulares son principalmente la gran área de exposición a la luz solar, por lo tanto su actividad fotosintética es elevada al igual que su productividad de biomasa; son relativamente económicos. Sin embargo, algunas desventajas son la poca transferencia de masa, altos niveles de pH y oxígeno en la mezcla; se presenta algún grado de adherencia y crecimiento de algas en las paredes, deben realizarse mantenimiento de los niveles de dióxido de carbono disueltos a lo largo de los tubos; y requieren grandes terrenos para la implementación del sistema, dado que los diámetros de tubería que se utilizan no generan volúmenes importantes y se encuentran limitados por la disponibilidad luminosa dentro del cultivo. Estos fotobiorreactores tienen serios inconvenientes cuando se requiere ampliar sus dimensiones.

Figura 2. Diagrama de funcionamiento del Fotobiorreactor Tubular

FOTOBIORREACTOR DE PLACA PLANA

Es muy utilizado para el cultivo de microorganismos fotosintéticos debido a su amplia superficie de iluminación. En general, el diseño de placa plana está hecho de materiales transparentes para el aprovechamiento máximo de energía de la luz solar. La acumulación de las concentraciones de oxígeno disuelto en diferentes diseños de placa plana es relativamente bajo en comparación a la de otros fotobiorreactores. Las bondades del diseño son su gran superficie de iluminación, apto para los cultivos al aire libre, buena capacidad para la movilización de las algas, alta productividad de biomasa, relativamente económica, fácil de limpiar, con poca acumulación de oxígeno. Como aspectos negativos tiene, que el escalamiento requiere de muchos compartimientos y materiales lo que lo hace poco económico. La dificultad para controlar la temperatura de cultivo y la posibilidad de estrés hidrodinámico a algunas cepas de algas.

JUSTIFICACIONES

JUSTIFICACION DE BIORREACTOR

En este organismo y en cualquier otro organismo fotosintético será absorbida luz por medio de la clorofila, que es el transportador primario de electrones en la fotosíntesis para pasar a la cadena de transporte y producir ATP y NADPH.

La razón por la cual es factible diseñar un fotobiorreactor con un cultivo microalgal es la alta producción de biomasa, la cual puede a su vez ser usada para su procesamiento como biocombustible o alimento, o bien el secuestramiento de bióxido de carbono, gas con alto grado de contaminación causante del efecto invernadero.

Las microalgas son organismos microscópicos que viven en ambientes acuosos poseen clorofila y pigmentos carotenoides, la mayoría son autótrofos pues convierten la energía solar y CO2 en O2 y carbohidratos, luego los emplean para sintetizar otros constituyentes de la biomasa. Las microalgas crecen típicamente suspendidas en medio nutriente líquido, con una fuente de enriquecimiento de CO2, requeridas para su cultivo; es por ello que empleando su aptitud para la biofijación y utilización de CO2 es posible proponerlas como un método biológico para el

Figura 3. Diagrama de Fotobiorreactor de placa plana

tratamiento de emisiones industriales de este gas en la atmósfera, ayudando a aliviar la tendencia al aumento del calentamiento global (Seijas- Velásquez et al 2012).

El secuestro biológico de carbono a través de éstos sistemas, ofrecen ventajas como una solución viable a plazo intermedio para reducir las emisiones de carbono en el sector de energía. La idea principal es hacer pasar el CO2 proveniente de procesos industriales o de las plantas de generación de energía eléctrica, y dirigirlo hacia el cultivo de microalgas. De tal manera, se presentaría la posibilidad para que el cultivo de microalgas se efectúe cerca de refinerías, plantas de generación de energía y otras industrias que emitan cantidades apreciables de CO2 (Seijas- Velásquez et al 2012).

La sustitución de los combustibles denominados fósiles o tradicionales, derivados del petróleo, por otros, de origen vegetal, cobra una gran importancia en nuestros días por varias razones fundamentales, como el hecho de provenir de una fuente renovable, ser un instrumento de lucha contra el deterioro medioambiental, además de un factor de desarrollo de la agricultura e industrias derivadas, y otros beneficios que serán desarrollados con posterioridad (García 2010).

Los lípidos son uno de los principales componentes de las microalgas; dependiendo de la especie y de las condiciones de crecimiento, los lípidos pueden constituir entre un 2 – 60% de la materia seca total como componentes de la membrana, productos de almacenamiento, metabolitos y conservación de la energía.

Los lípidos se pueden utilizar como combustible líquido adaptado a motores como Straight Vegetable Oil (SVO). Los triglicéridos y los ácidos grasos libres (una parte del contenido total de lípidos) se pueden convertir a biodiesel. En comparación con los motores SVO, el aceite de algas es insaturada en su mayor medida por lo que es menos apropiado para la combustión directa en motores sensibles.

Con el fin de producir eficientemente biodiesel a partir de algas, se recomienda la elección de cepas con alto nivel de crecimiento y alto contenido en aceite (García 2010).

En el fotobiorreactor de columna de burbujeo con cultivo de Chlorella vulgaris la principal fuente de carbono que se busca es el CO2 gaseoso disuelto en el aire producto de la combustión de hidrocarburos, la transferencia de masa del gas al líquido se verá afectada por el tiempo de residencia el gas, el tamaño de burbuja y la concentración de CO2 en el mismo.

Es importante evitar la limitación de carbono en el cultivo por lo que además de que la agitación neumática será causada por un gas enriquecido con CO2 se podrán utilizar otras fuentes de carbono inorgánicas gracias al metabolismo autótrofo de Chlorella vulgaris tales como carbonatos y bicarbonatos.

DEFINICION, SELECCIÓN Y JUSTIFICACIONDEL MICROORGANISMO

Chlorella vulgaris

Chlorella vulgaris, es un alga unicelular de agua dulce que pertenece a la clase Chlorophyceae, manifiesta tolerancia en una amplia gama de condiciones de crecimiento. Es autótrofa y puede utilizar como fuente de carbono los carbonatos y bicarbonatos, como fuente de nitrógeno el amoniaco, las sales de amonio o urea, como fuente de fosforo el fosfato inorgánico, tiene tolerancia a distintos niveles de saturación lumínica, no requiere de vitaminas ni cofactores para su crecimiento, soporta considerables niveles de saturación de CO2

disuelto en el medio (hasta un 40% sin alteraciones metabólicas).

Es común encontrarla en acumulaciones de agua dulce e incluso en la superficie de otras plantas sin resultar invasiva.

A diferencia de los cultivos de semillas oleaginosas tradicionales, cultivos de microalgas no requieren de herbicidas o pesticidas para su eliminación, y se pueden realizar en los estanques o fotobiorreactores en tierras no cultivables , incluidas las zonas marginales no aptas para la agricultura , reduciendo al mínimo los daños causados al ecosistema y los sistemas de la cadena alimentaria y sin poner en peligro la producción de alimentos, forraje y otros productos derivados de los cultivos. Además, la fisiología algas unicelulares puede ser manipulada para obtener ciertos efectos deseados. Es bien conocida la posibilidad de abordar el metabolismo de las algas a la acumulación de lípidos, a pesar de la duplicación celular y la síntesis de proteínas mediante la imposición de condiciones de nutriente limitante. Algunas microalgas son capaces de sustratos orgánicos de uso en régimen de mixotrofía y heterotrofía.

Chlorella vulgaris tiene un gran potencial como recurso para la producción de biodiesel, debido a un crecimiento más rápido y el cultivo más fácil. Sin embargo, el contenido de lípidos en Chlorella vulgaris en condiciones de crecimiento natural es hasta ~ 20 % en peso de biomasa seca (Illman et al, 2000; Spolaore et al, 2006), que no cumple con los requisitos industriales estándar; para esto se han diseñado varias de reducir o limitar ciertos nutrientes particularmente nitrato para girar el metabolismo en una fase anabólica de acumulación lipídica. Técnicas diversas como la suplementación de carbono generan una aceleración en el crecimiento de biomasa y la acumulación de lípidos. Diversos estudios han demostrado que existen limitantes en la fijación del CO2 durante la fotosíntesis; por lo que en ingeniería metabólica se han propuesto diversas soluciones donde intervienen compuestos que logran realizar cambios durante dichos procesos.

Figura 4. Microscopia de campo claro de Chlorella vulgaris

DISEÑO DEL SISTEMA DE AGITACION

Una columna de burbujeo no requiere de agitación mecánica debido a las características físicas del mismo, la agitación y mezclado es lograda mediante la adición de una gas en el fondo del reactor mediante un difusor, las burbujas generadas por el mismo crean patrones de flujo en el interior de la columna, la inyección continua de gas genera un movimiento constante en el líquido el cual funciona con sistema de mezclado para el reactor.

El sistema de mezclado debe proporcionar condiciones homogéneas y permitir la transferencia de nutrientes, el movimiento entre las zonas oscuras e iluminadas del fotobiorreactor, la transferencia de gas y de energía. El mezclado debe evitar la estratificación, mantener una concentración homogénea de nutrientes, romper los gradientes de difusión en el exterior de la célula y desplazar el oxígeno generado por la fotosíntesis.

El movimiento continuo de las células en las partes oscuras e iluminadas es primordial para la producción e biomasa en el fotobiorreactor, se ha encontrado que en régimen laminar la producción de biomasa es baja y que en el régimen turbulento se tiene una producción mayor, esto debe considerarse con suma precaución ya que si el régimen turbulento es excesivamente desarrollado puede provocar lisis celular, el régimen turbulento proporciona un mejor suministro de CO2 y luz.

La forma del difusor afecta significativamente la transferencia de CO2 al medio, el tamaño del orificio en el mismo determina el tamaño de burbuja los difusores con orificios demasiado pequeños tienden a obstruirse y a requerir un mayor gasto energético.

El daño celular debido al sistema de mezclado en un fotobiorreactor es un factor clave para el cultivo de microalgas, la tasa de muerte celular se debe a la ruptura de las burbujas en la superficie celular y a efectos ocasionados en el difusor.

El tamaño de burbuja puede llegar a ser determinante en esta fermentación ya que se ha reportado que lo diámetros de burbuja menores a los 2mm de diámetro resultan perjudiciales para las células, por lo que deberá ajustarse el difusor, la presión y el flujo de gas de acuerdo a los requerimientos el cultivo.

De la velocidad de alimentación depende también la remoción de oxigeno del medio, el cual resulta toxico para los organismos autótrofos, la saturación correcta de bióxido de carbono en el medio causara un desplazamiento del oxígeno.

Altos niveles de oxígeno pueden ser tóxicos, con una alta exposición a la luz, pueden causar la muerte foto oxidativa en el cultivo, la alimentación desde el fondo del biorreactor de CO2 favorecer al mezclado, suministrar suficiente CO2 y una altura óptima para el fotobiorreactor logran una remoción de oxígeno disuelto, este último en altas concentraciones disminuye la producción de biomasa para evitar que se concentre el oxígeno en el medio se tiene que tener una alta velocidad de burbujeo sin embargo una alta velocidad de entrada de gas ocasionara daño

celular. Por lo que se tiene que mantener una velocidad óptima para evitar la concentración y el daño celular.

CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DESCRIPCION DEL DIFUSOR

En bibliografía se dimensiona para una producción de 1 ton/h de aceite proveniente de microalga, el tiempo de residencia de biomasa dentro del reactor se ajustó para un tiempo de 24 horas con iluminación constante mediante lámparas fluorescentes o de Xenón, la concentración de sustrato inicial propuesta es de 914 kg, la inoculación inicial en el reactor fue con una concentración inicial de biomasa de 8*106 células/mL. Los rendimientos de producción encontrados fueron de 0.37 kg de aceite/kg de biomasa. La aireación necesaria se reporta de 0.7 vvm (volumen por litro por minuto) (2).Por otro parte el rendimiento de biomasa en base a sustrato fue de 130 kg de biomasa/Kg de sustrato (1). Para la velocidad especifica de crecimiento máxima (μmax) cuando la máxima concentración celular en bibliografía fue (2,4 x 108 células/mL) con la concentración de CO2 enriquecido en el medio a 6% por cada 3.95 x 103 cél/ml en tiempo 0, datos obtenidos de la variación en la concentración de CO2 para calcular una velocidad de crecimiento máxima, donde Td (tiempo de duplicación) es igual a ln (2/μmax) (3, 4,5).

El difusor consta de una cruz perforada colocada en el fondo de la columna, se utiliza este tipo de difusor por su simplicidad y por el angosto diámetro de la columna, ya que no se requiere de una gran cantidad de orificios ya que se crearía el efecto de coalescencia.

El difusor tiene por medidas de longitud y de ancho 10cm, y 7 orificios equidistantes de 1mm de diámetro.

Este tipo de difusor tiene la ventaja de proporcionar burbujeo tanto en las paredes como en el centro de la columna, proporcionando un patrón de flujo uniforme y garantizando el movimiento de las células que se encuentran en la parte más oscura de la columna de burbujeo (el centro).

El patrón de flujo desarrollado no tiene una forma específica, el movimiento del líquido es causado por el ascenso de las burbujas en la columna. En la siguiente figura se observa como el líquido tiende a girar por la superficie de la burbuja de forma radial del centro de la columna hacia las paredes y el ascenso de las burbujas garantiza el movimiento vertical para evitar la estratificación del medio.

Figura 5. Diseño del Fotorreactor y características del sistema de difusión

Figura 6. Flujo difusivo

ESTERILIZACION

Esterilización es la remoción o destrucción total de toda forma de vida contenida en un elemento de volumen. Se lleva acabo llevando al microorganismo a altas temperaturas y destruyéndolo por completo.Si el material a esterilizar se esteriliza bien este nunca presentara ningún microorganismo a la hora de adicionar algún medio rico en nutrientes garantizando que no habrá competencia por el sustrato.

DISEÑO DEL CICLO DE ESTERILIZACIÓN PARA UN FOTOBIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJEO

Un ciclo de esterilización se define como el tiempo necesario para lograr la destrucción total de todos los microorganismos en determinada cantidad o una superficie esto para garantizar que no existirá otro organismo que pueda competir por el sustrato del medio. En fotobiorreactor de columna de burbujeo la esterilización debe llevarse a cabo en dos puntos: el medio de cultivo y el gas alimentado para el burbujeo.

ESTERILIZACIÓN DEL MEDIO DE CULTIVO

El medio básico de Bold es esencialmente agua con trazas de sales de distintos metales que sirven como oligoelementos esenciales a las microalgas y una pequeña cantidad de peptona o amoniaco como fuente de nitrógeno, por lo que sus propiedades pueden ser consideradas idénticas a las del agua, tales como densidad, Cp, viscosidad, etc.; Cabe mencionar que como organismo blanco para la esterilización se eligieron las esporas de Bacillus stearothermophilus por su extendido uso como patrón en la esterilización, ya que representa a uno de los microorganismos más resistentes y su eliminación garantiza la de otros que son menos resistentes a las altas temperaturas. Los parámetros de muerte por acción térmica para este microorganismo se encuentran reportados en la bibliografía como A=1x1036.2s-1 y Ea=67.7Kcal/mol (Stanbury, 1999).

Como sistema de calentamiento para la esterilización se eligió una resistencia eléctrica debido a su simplicidad, economía y linealidad del patrón de temperatura que genera. Se descartaron otros tipos de sistema de intercambio de calor debido a que obstruyen el paso de la luz al medio de

cultivo, como la chaqueta, que si bien garantizan la transferencia optima de calor, el inconveniente encontrado es que obstruyen el paso de luz por completo interfiriendo con el crecimiento de la biomasa, otro caso es el serpentín que si bien este sistema puede mantener la temperatura optima al calentar o enfriar el medio, obstruye parcialmente el paso de la luz y puede llevar a la formación de depósitos celulares, por eso que se concluyó que el método más factible es la resistencia por su simplicidad y bajo costo. Podemos optimizar la transferencia de calor con el mezclado continuo por burbujeo.

ESTERILIZACION DE AIRE

El diseño de fotobiorreactores para el crecimiento de micro algas debe tomar como fundamento principal el abastecimiento adecuado y óptimo de gases tales como el CO 2 el cual es principal nutriente de las células y el retiro de O2 generado el metabolismo celular y el cual puede ser perjudicial para los microorganismos. Dentro de este apartado es necesario también garantizar que la entrada y salida de gases hacia y desde el reactor se mantenga en condiciones de esterilidad, es decir se deben emplear métodos que garanticen la no presencia de agentes contaminantes, para esto se suelen colocar filtros en la entrada y salida de los gases. (Rojas, 2009)

Puesto que la aireación se suele hacer usando aire ambiental es necesario eliminar las partículas y microorganismos presentes en este, para la elección del filtro es necesario conocer la cantidad de microorganismos presentes así como el tamaño de estos es decir el tipo de organismos presentes.

El aire contiene en su mayoría bacterias y hongos, así como también algunas clases de virus. Algunos microorganismos se encuentran en forma de células vegetativas, pero lo más frecuente son las formas esporuladas, ya que las esporas son metabólicamente menos activas y sobreviven mejor en la atmósfera porque soportan la desecación. Entre las bacterias más comunes en el aire se suelen encontrar los bacilos pleomórficos Gram positivos (Corynebacterium) y los cocos Gram positivos (Micrococcus y Staphylococcus),así como el hongo mas predominante en el aire es Cladosporium así como tampoco es raro encontrar Aspergillus y Penicillium aunque estos en mucha menor medida(De la Rosa,2002).

Por otro lado se ha encontrado que la cantidad de microorganismos presentes en el aire varía conforme a la altitud (10-104 /m3) siendo los valores más altos en las cercanía del suelo sobre todo en los dos metros inferiores, que constituyen el microclima del hombre, disminuyen hasta los 200 metros y luego se hacen más escasos hasta los 5.000 metros, su presencia es rara hasta el límite de la troposfera y no se encuentran en la estratosfera. (De la Rosa, 2002)

La filtración para la esterilización del aire usado en el proceso de bioconversión se hace usando filtros hechos de materiales porosos, fibra de vidrio, alginato o fibras de membrana(los cuales son

los más utilizados actualmente). Los filtros de membrana utilizados son de policarbonato, esteres de celulosa o cloruro de polivinilo. (Merck Millipor, 2004)

Basado en la información anterior se considera que durante la esterilización del aire se deben eliminar partículas de tamaño de entre 0.5 a 1 micrómetro de tamaño, por lo cual se utilizan generalmente filtros de membrana de 0.22 µm de diámetro de poro. Por otro lado la cantidad de microorganismos presentes en el aire a una altura de entre 1000-1700 m sobre el nivel del mar es de entre 3 a 9 x103 m.o/m3(BIOD2).Un filtro de membrana debe ser diseñado para ser capaz de reducir la carga microbiana en el gas hasta valores de alrededor de 10-3.

Dado que para la filtración al igual que en la esterilización se considera una constante de eliminación o de filtración, el número de m.o inicial y final en la operación y profundidad del filtro (que depende del tamaño y forma de las partículas que se filtraran) K es una constante que depende de la velocidad del flujo del gas, la densidad del filtro, el tamaño de las fibras del filtro y del organismo eliminado.

RESULTADOS

METODOLOGÍA PARA LA OBTENCION DE PARÁMETROS CINÉTICOS

Para la obtención de gráficos que permitan determinar los valores correspondientes para los parámetros cinéticos se sigue la siguiente metodología:

1.-Para la obtención de la gráfica que representa la cinética de crecimiento particular para el microorganismo, se procedió primero a determinar los cambios de concentración de biomasa (∆x) en función al tiempo transcurrido desde el inicio del cultivo. La obtención de este grafico permite la identificación de las fases de crecimiento características (lag, exponencial, estacionaria y de muerte)

2.-Posteriormente para la corroboración de que la cinética se trata de un sistema de primer orden, se obtiene el grafico donde se representa la velocidad de generación de biomasa (rx) contra la concentración de biomasa(x).Para la obtención de la recta de ajuste a estos datos se utiliza una linearización logarítmica dando como resultado la siguiente expresión:

ln (r¿¿ x)=Lnµ+nLnx ¿

Este modelo matemático representa a una línea recta de pendiente positiva en la que n es la pendiente y también debiera cumplir que si su valor es apropiadamente igual a 1 la cinética cumple con ser de primer orden.

3.-La obtención del parámetro de velocidad máxima de generación máxima se hace mediante un gráfico en el que se represente la velocidad de generación de biomasa promedio en función de la cantidad de sustrato disponible (valor promedio). Así pues el valor asintótico superior del grafico

corresponde al valor de la velocidad máxima de generación de biomasa (µ max), así como también mediante este grafico es posible obtener el valor de Ks el cual corresponde a al valor de concentración de sustrato disponible en el cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima de generación de biomasa es decir: Ks=µmax/2

4.-La determinación de la velocidad especifica de formación de producto (qp) obtenida mediante gráficos de datos experimentales se hace mediante la representación gráfica de la concentración de producto generado (valores promedio) vs el tiempo de cultivo. Así pues al generar la ecuación de ajuste (línea recta) el valor de la pendiente de la recta generada será el correspondiente al valor de qp.

5.-Por otra parte la obtención de los rendimientos Yxs, Ypx se logra mediante la obtención de graficas donde se represente el cambio de concentración de sustrato contra el cambio en concentración de biomasa (∆s vs ∆x) y el cambio de concentración de producto generado contra el cambio en concentración de biomasa (∆P vs ∆x) respectivamente. Al igual que en el paso interior los valores de los rendimientos están representados como el valor de la pendiente de la recta de ajuste.

METODOLOGÍA PARA LA SIMULACIÓN DEL CULTIVO POR LOTE

1. Definir los parámetros cinéticos como constantes para el modelo elegido (Y xs, Yps, Ypx, µmax, Ks, etc.)

CP=93; N=0.52; Mmax=0.33; KS=17; M=0.03; YCS=12.5; YPS=0.45; YPC=5.6; KD=0.01;

2. Definir las condiciones iniciales del cultivo.x0=1; s0=250; p0=0;

3. Definir como función la matriz de ecuaciones diferenciales simultaneas correspondiente a biomasa, sustrato y producto respectivamente.

function derivada=f(t, y) // y(1)= concentración de biomasa // y(2)= concentración de sustrato // y(3)= concentración de producto derivada(1)= Mmax*((1-(y(3)/CP))^0.52)*((y(1)*y(2))/(KS+y(2)))-(KD*y(1)); derivada(2)= -YCS*Mmax*((1-(y(3)/CP))^0.52)*((y(1)*y(2))/(KS+y(2)))+(M*y(1)); derivada(3)= YPC*Mmax*((1-(y(3)/CP))^0.52)*((y(1)*y(2))/(KS+y(2)));endfunction

4. Definir el intervalo de tiempo y el tamaño de paso para la resolución de las ecuaciones.t0=0; tmax=15;t=t0:0.05:tmax;

5. Definir el vector con las condiciones iniciales marcadas

y0=[x0;s0;p0];

6. Resolver la matriz de ecuaciones diferenciales con el comando ODE para el vector de condiciones iniciales y el tiempo estipulado.

y=ode(y0,t0,t,f);

7. Graficar el resultado de las ecuaciones con respecto al tiempo con el comando plot2d, colocar título a los ejes y leyenda a cada línea.

plot2d(t,y(1,:),1)plot2d(t,y(2,:),2)plot2d(t,y(3,:),3)xtitle('LOTE', 'tiempo (horas)', 'concentracion (g/L)')legend('biomasa','sustrato','producto'

RESULTADOS DE CINÉTICA

Y𝑿𝑺=Rendimiento biomasa sustrato [=] Kgx/Kgs Y𝑷𝑺=Rendimiento producto sustrato [=]KgP/Kgs Y𝑷𝑿=Rendimiento producto biomasa [=]Kgp/KgX Y𝑿𝑶=Rendimiento biomasa generado por gramo de sustrato [=]Kgx/Kgs RQ=Coeficiente de respiración 𝛾= e− disponibles para reaccionar en función al carbono 𝜇=Velocidad específica de crecimiento [=]1/t μmax=Tasa máxima de velocidad específica de crecimiento [=] 1/t 𝑘=Velocidad específica de muerte [=]1/t 𝑥=Biomasa [=] Kgx x0=Biomasa inicial [=] Kg𝑥 t=Tiempo [=] horas tp=Tiempo de duplicación [=] horas s=Concentración de sustrato [=] Kgs qp=Velocidad a la que se genera el producto dada la concentración de biomasa [=] Kgpgxh mp=Velocidad de generación en la etapa de mantenimiento qs=Velocidad a la que se consume el sustrato dada la concentración de biomasa [=] KgSgxh ms=Coeficiente de mantenimiento celular ks=Concentración mínima de sustrato requerida para la duplicación

En bibliografía se dimensiona para una producción de 1 ton/h de aceite proveniente de microalga, el tiempo de residencia de biomasa dentro del reactor se ajustó para un tiempo de 24 horas, la concentración de sustrato inicial propuesta es de 914 kg, la inoculación inicial en el reactor fue con una concentración inicial de biomasa de 8*106 células/mL. Los rendimientos de producción encontrados fueron de 0.37 kg de aceite/kg de biomasa. La aireación necesaria se reporta de 0.7 vvm (volumen por litro por minuto) (2).Por otro parte el rendimiento de biomasa en base a sustrato fue de 130 kg de biomasa/Kg de sustrato (1). Para la velocidad especifica de crecimiento

máxima (μmax) cuando la máxima concentración celular en bibliografía fue (2,4 x 108 células/mL) con la concentración de CO2 enriquecido en el medio a 6% por cada 3.95 x 103 cél/ml en tiempo 0, datos obtenidos de la variación en la concentración de CO2 para calcular una velocidad de crecimiento máxima, donde Td (tiempo de duplicación) es igual a ln(2/μmax)(3,4,5).

Los parámetros cinéticos para el crecimiento de C. vulgaris mencionados anteriormente se muestra de manera sintética en la Tabla1.

Tabla 1.-Parametros cinéticos obtenidos en fermentación en un fotobiorreactor mediante C vulgaris (Tr: Tiempo de residencia Yp/x: Rendimiento masa de producto/ masa biomasa. Yx/s: Rendimiento masa biomasa seca/ masa de sustrato. Fa: Flujo de aireación (CO2), So: Cantidad

de sustrato inicial, Xo: Cantidad de biomasa inicial).

Parámetro ValorTr(hrs) 24So(kg) 914Xo(cel/mL) 8*106

Yp/x (gr de producto/gr de biomasa) 0.37Fa (vvm) 0.7Yx/s (gr de biomasa/gr de sustrato) 130μmax (1/hr) 0,093Td (hr) 3.06Ks (kg/m3) 0.292

ECUACIONES DE CINÉTICA DE CRECIMIENTO BAJO OPERACIÓN DE LOTE

En base a la información consultada se puede proponer que le proceso se ajuste a un modelo de crecimiento de inhibición por sustrato, en este caso CO2, para esto se emplean las ecuaciones resultantes de los balances para sustrato, biomasa y producto, ajustadas al modelo de Monod.

Las ecuaciones propuestas para la cinética son las siguientes:

dxdt

=μx=( μmax∗SKs+S )x (1)

dSdt

=[ ( μmax∗sKs+S )Yxs

+Ypx( μmax∗sKs+S )

Yps+mp+ms] x (2)(7)

dPdt

=[(Ypx( μmax∗SKs+S )+mp) ]x (3)

Las ecuaciones anteriores corresponden al modelo de Monod sin efectos de inhibición. En la simulación no se toman en cuenta los términos de mantenimiento y la constante de muerte, ya que no fueron encontrados, por lo que se les consideró despreciables.

RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DEL CULTIVO POR LOTE

Con base en las ecuaciones anteriores se hizo una simulación en scilab para ver el comportamiento de biomasa, sustrato y producto.

Código

//ECUACIONES DIFERENCIALES//DEFINIR PARAMETROSMmax=0.093; KS=0.292; YCS=1.3; YPS=0.37; YPC=7.4;//DEFINIR CONDICIONES INICIAES x0=1; s0=914; p0=0; //SIMULACION POR LOTEfunction derivada=f(t, y) // y(1)= diferencial de biomasa // y(2)= diferencial de sustrato // y(3)= diferencial de producto derivada(1)= ((Mmax*y(2))/(KS+y(2)))*y(1); derivada(2)=-((((Mmax*y(2))/(KS+y(2)))/YCS)+((YPC*((Mmax*y(2))/(KS+y(2))))/YPS))*y(1); derivada(3)= (YPC*((Mmax*y(2))/(KS+y(2))))*y(1);endfunction//GRAFICA //PARAMETROSt0=0; tmax=50;t=t0:0.005:tmax;//CONDICIONES INICIALES

y0=[x0;s0;p0];//RESOLUCION DE ECUACION DIFERENCIALy=ode(y0,t0,t,f);//GRAFICAR plot2d(t,y(1,:),1)plot2d(t,y(2,:),2)plot2d(t,y(3,:),3)xtitle('LOTE', 'tiempo (horas)', 'concentracion (g/L)')legend('biomasa','sustrato','producto')

Obteniendo como resultado la siguiente gráfica.

Figura 7. Simulación de cultivo por loteRESULTADOS DE REOLOGIA DEL MEDIO

La reología del medio de cultivo fue determinada mediante un viscosímetro Brookfield mediante la cual es posible realizar un reograma para caracterizar el tipo de fluido y determinar su viscosidad.

Tabla 2. Reología del medio

viscosidad ap esfuerzo (D/cm^2) velocidad (s^-1) esfuerzo (Pa)1.84 3.68 200 0.3681.83 3.76 205 0.3761.83 3.84 210 0.384

1.86 3.99 215 0.3991.92 4.23 220 0.4232.02 4.54 225 0.4541.94 4.46 230 0.4462 4.7 235 0.472.02 4.85 240 0.4852.04 5.01 245 0.5012.07 5.17 250 0.5172.69 5.32 255 0.5322.08 5.4 260 0.542.13 5.64 265 0.564

190 200 210 220 230 240 250 260 2700

1

2

3

4

5

6

f(x) = 0.019925374602446 xR² = 0.997571128878358

Reograma del medio de cultivo

Velocidad de corte (s^-1)

Esfu

erzo

de

cort

e (P

a)

Grafica 1. Reograma del medio/ Fluido Newtoniano

El reograma encontrado para el medio de cultivo utilizado se observa claramente el comportamiento de un fluido Newtoniano, ya que es lineal y presenta una clara orientación hacia el origen, la viscosidad encontrada es cercana a los 0.02 Pas, la cual es superior a la del agua, pero no se considera altamente viscosa, esto el lógico ya que presenta una alta concentración de sales y otros compuestos orgánicos como proteínas que aumentan su viscosidad.

RESULTADO TRANSFERENCIA DE MASA

Aproximadamente el 50% de la biomasa algal en peso seco es carbono; por consiguiente, para producir 100 kg de biomasa seca se está fijando aproximadamente 183 kg de CO2. Actualmente se estima que el contenido de CO2 en el aire está en alrededor de 392 ppm, al usar aire enriquecido con CO2 en valores cercanos al 2% la cantidad de lípidos que puede producir Chlorella puede incrementarse hasta 8 veces.

Para poder predecir y mejorar la transferencia de masa del gas de alimentación al medio de cultivo es necesario tomar en cuenta el tamaño de burbuja y las propiedades del medio de cultivo. La

interacción del CO2 con el agua y el amoniaco en fase liquida permitirán aumentar la velocidad de absorción de CO2 en el medio de cultivo. El tamaño de burbuja puede llegar a ser determinante en esta fermentación ya que se ha reportado que lo diámetros de burbuja menores a los 2mm de diámetro resultan perjudiciales para las células, por lo que deberá ajustarse el difusor, la presión y el flujo de gas de acuerdo a los requerimientos el cultivo.

Hay múltiples parámetros a modificar para aumentar la transferencia de masa al medio de cultivo, entre ellos están los del mismo medio y los de la alimentación gaseosa de la columna; entre ellos se pueden citar las características físicas y químicas del medio de cultivo, tales como composición, temperatura, tensión, densidad, fuerzas iónicas o viscosidad, las cuales afectaran el agarre del gas y el tiempo de residencia del mismo.

En un fotobiorreactor la disponibilidad de luz se ve afectada por la tasa de aireación, el agarre del gas y la velocidad de líquido durante el mezclado y el régimen de flujo.

Hidrodinámica en columnas de burbujeo

El agarre el gas es expresado por la siguiente ecuación:

ε=V G

V G+V L

Donde VG es el volumen de gas y VL es el volumen de líquido en el reactor.

El área interfacial para una distribución de burbujas de tamaño uniforme basadas en el volumen de líquido (aL) o del volumen de dispersión (aD) (2):

aL=6 ε

dB(1−ε )

aD=6 εdB

La potencia requerida para el burbujeo puede ser calculada mediante la siguiente relación:

d B=k [ σ

2 ρL1/3( Pg

V L)

2/3 ]38

Donde dB representa el diámetro de la burbuja, Pg la potencia de entrada del gas, σ es la tensión superficial, esta expresión esta basada en la teoría de Kolmogoroff-Hinze, (3) para sistemas agua-aire, a constante de proporcionalidad es cercana a 1.9 (1).

Existen relaciones teóricas para calcular el coeficiente de transferencia de masa con relación a la velocidad del gas en la columna de burbujeo para CO2, la primera dada por DeHeijnen Van`t Riet en 1989:

klaC 02=0.2667V g0.7

Y la siguiente dada por Sanches Miron en 2000:

klaCO 2=0.7284

V G−0.974−1

Para calcular la velocidad del gas es necesario considerar el área a través de la cual fluye (AG) mediante la siguiente formula:

V G=FG

AG

Donde FG representa el flujo del gas.

Considerando los parámetros que no cambian en el sistema y los diferentes tipos de diseños de reactores de columna de burbujeo, se ha demostrado que el coeficiente de transferencia de masa del CO2 para Chlorella vulgaris oscila entre 0.031 y 0.042 s-1(3).

RESULTADO TRANSFERENCIA DE CALOR

El control de la temperatura en el cultivo de microalgas es un factor que juega un papel importante para el fin de garantizar un óptimo proceso metabólico y de crecimiento. Las condiciones de operación de un sistema de crecimiento en fotobiorreactor opera bajo las condiciones ambientales del lugar donde se encuentre instalado, es por esta razón que se debe emplear un equipo de transferencia de calor que se capaz de proveer un mantenimiento adecuado de la temperatura óptima para el crecimiento y mantenimiento del microalga. (4)

En la tabla 1 se muestran las características y requerimientos de algunos tipos de algas. Como puede observarse para la especie de microalga con la que se trabajara (C.vulgaris) se conoce que la temperatura optima de cultivo son los 25°C.

Tabla 3. Características de algunas especies de algas unicelulares. Fuente: COLL MORALES, Julio. Acuicultura Marina Animal. Madrid: Ediciones Mundi-Prensa, 1983. 670

Como ya se mencionó anteriormente las condiciones de operación serán las condiciones ambientales es por esta razón que es indispensable conocer las condiciones climatológicas características de la región donde se llevará el cultivo microalgal. Esto debido a que el metabolismo y crecimiento de los microorganismos tiene una estrecha relación con ciertos parámetros de su medio. Por lo que es muy importante tener en cuenta factores como la temperatura y radiación solar de la región a lo largo del año, para de esta manera proyectar el diseño y desarrollo de sistemas de control, especialmente el sistema de control de temperatura del medio de cultivo.

La temperatura promedio de la región del Bajío reportada es de 19.6°C anual (INEGI, 2010), aunque para la elección del sistema de control de temperatura algal, las temperaturas promedio no son muy adecuadas por lo que es conveniente trabajar con las temperaturas máximas y mínimas por que el sistema debe ser capaz de soportar y cumplir su objetivo bajo condiciones críticas. La condición crítica que se establece consiste en determinar la temperatura que el cultivo de microalgas puede alcanzar, estando sometido a un ambiente de alta temperatura sin ningún tipo de control. Para este fin se analizara la transferencia de calor por convección natural entre el reactor y el ambiente

El primer paso en el análisis de la convección es la determinación del coeficiente de transferencia de calor por convección (h).Para esto es necesario determinar el número de Grashof (Ga),el número de Raleigh (Ra) y el número de Nusselt (Nu) en ese orden. Una vez conocidos estos valores se calcula el coeficiente de transferencia de calor.

Donde:

ɸ: Longitud características la cual en tubos es igual a su diámetro

k: Conductividad térmica del fluido

Pr: Numero de Prandtl el cual se obtiene de tablas, dependiendo de la temperatura del fluido

g: aceleración gravitatoria

β: Inverso de la temperatura ambiente (1/T∞)

Ts: Temperatura superficial

T∞: Temperatura ambiental

ʋ: Viscosidad dinámica del fluido

Para hacer uso de estas ecuaciones se debe emplear datos como el diámetro de la columna y propiedades del aire a temperatura ambiente la cual se utilizara de 25°C las cuales son obtenidas de referencias bibliográficas (Cengel,2007).El diámetro empleado se muestra en el diagrama del reactor y corresponde a 0.10m. Por su parte, dado que la temperatura superficial del cultivo es la variable que se desea estimar, inicialmente debe asumirse y según el resultado final, se determina si los cálculos deben o no repetirse. En la tabla 3 se muestran los valores de propiedades del aire a la temperatura ambiental de 25°C

Tabla 4.Propiedades del aire 25°C.

T∞(K) 298.15Β(K-1) 0.00335ʋ(m2/s) 1.56x10-5

k(W/mK) 0.02551Pr 0.7296

Para el cálculo del número de Grashof es necesario suponer un Ts la cual según bibliografía (5) para este tipo de cultivos suele ser mayor ente 10-30°C que la temperatura ambiente por lo que se supone se alcanza una temperatura en la superficie de 40°C (313 K).En la tabla 4 se muestran los valores obtenidos de los cálculos realizados.

Tabla 5.Valores de parámetros de convección natural.

Gr 2023866.88Ra 1476613.28Un 16.2863315h(W/m2K) 4.15464316

Para fotorreactores de columna de burbujeo se ha estudiado y diseñado intercambiadores de calor dentro de la columna de desgasificación. El intercambiador consiste en un serpentín ubicado dentro del desgasificador, el cual transporta el agua de enfriamiento o calentamiento, según sea necesario.

Su diseño consiste en el serpentín oscilando en el sentido axial de la columna de desgasificación, de tal forma que cada trayecto del tubo esté igualmente espaciado de los demás y el serpentín logre enrollar la columna en su totalidad (Molina Grima,2003).

Figura 8. Diferentes diseños de reactor e implementación de controladores de temperatura

Para obtener el coeficiente global de transferencia de calor (U) es necesario conocer la conductividad térmica del material que está construido el sistema (vidrio), el cual puede ser considerado constante y puede encontrarse entre 0.6 y 1 W/mK, generalmente se toma el promedio que es 0.8 W/mK. Además también se debe calcular el coeficiente de transferencia de calor del medio, el cual puede ser considerado como agua, ya que tiene una concentración de sales despreciable y similar a la del agua dulce común.

Por lo que el calor transferido al medio puede ser expresado mediante la siguiente ecuación:

𝑄=𝐴𝑈Δ𝑇Donde A representa al área de contacto para la transferencia de energía, U representa al coeficiente global de transferencia de calor y Δ𝑇 al delta de temperatura logarítmica del sistema, esto considerando al sistema como enchaquetado, el coeficiente global de transferencia de calor se debe determinar de forma independiente:

1𝑈=1ℎ𝑎+𝐿𝑘+1ℎ𝑏U es el coeficiente global de transferencia de calor.

ha es el coeficiente de transferencia de calor externo al sistema para el mecanismo de convección natural.

K es la conductividad térmica de la pared del sistema (vidrio) la cual tiene un valor constante de 0.8 W/mK.

hb es el coeficiente de transferencia de calor interno al sistema para el mecanismo de convección natural.

Los coeficientes de transferencia de calor por convección deberán ser calculados para aire en el exterior de la columna y agua para el interior de la columna con las formulas citadas con anterioridad para las constantes adimensionales de Nusselt, Grashoff y Raleigh.

Tabla 6. Descripción de las partes del sistema

PARTE NUMERO DESCRIPCION1 Tapa con empaque2 Lámpara fluorescente3 Acoplamiento

alimentación- columna4 Medio5 Columna de vidrio6 Varilla de seguridad7 Válvula de purga y

entrada de aire8 Difusor de cruz

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

El sistema de columna de burbujeo cuenta con alimentación estacionaria de aire enriquecido con bióxido de carbono proveniente de un motor de combustión interna, la cual está conectada a una válvula de bola de 0.0063m (3/4” comercial), acoplada mediante tubo de acero inoxidable de 0.1016 m de diámetro a un difusor de cruz perforada de tubos de acero inoxidable con un diámetro de 0.007m y longitud de 0.1m con orificios circulares de 0.001m con una separación de 0.02m entre cada uno.

La columna está construida por un tubo de vidrio transparente de 0.1m de diámetro y 1.1m de longitud, cuenta con una tapa desmontable, bridada, de acero inoxidable con 0.15m de diámetro y 0.03m de grosor, sin puertos para toma de muestra ni inoculación.

Exteriormente cuenta con varillas de seguridad de acero inoxidable de 0.02m de diámetro y 1.1m de longitud, las lámparas fluorescentes se encuentran a 0.1m de separación a cada lado de la columna y proporcionan luz blanca, tienen una longitud de 1.1m, diámetro de 0.06m y potencia de 70W

RESULTADOS PARA ESTERILIZACION DEL MEDIO

Para realizar los cálculos se tomaron en cuenta valores estándar para las poblaciones finales e iniciales de microorganismos por unidad de volumen.

N0= 1x1012 m.o. /m3

N1= 1x10-3 m.o. /m3

M= 9 Kg Cp= 4.1813 J/KgK T0= 19.6°C Tcal= 121°C Tenf= 25°C

Para calcular el calor aportado por la resistencia al medio de cultivo utilizamos el valor de la potencia eléctrica que disipa la misma, el cual se obtiene mediante el voltaje de alimentación y la resistencia de la misma, la cual fue propuesta a partir de una resistencia comercial para autoclave.

Q=P=E2

R= 110V

3000Ω=4.03W

Para calcular el tiempo necesario para calentar el medio de cultivo a la temperatura deseada utilizamos el modelo de calentamiento por resistencia.

T=T 0+QtMCp

Despejando el tiempo queda:

t=(T−T 0 )MCp

Q=

(121 °C−19.6 ° C ) ∙9Kg ∙4.1813 J /KgK4.03W

=946.85 s

El tiempo para el calentamiento por resistencia es de 15.78 minutos.

Posteriormente se procedió a realizar el cálculo de las Nabla total, de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento.

∇=ln(N 0

N1 )=¿ ln( 1×1012 m.om3

1×10−3 m .om3 )=¿34.538 ¿¿

Para obtener las Nabla de calentamiento y enfriamiento se utilizó el método rápido de Richards.

∇ tabla=12.549

K= 2.538

t= 20 min

∇cal /enf=∇ tabla

t cal/ enft tabla

=12.549 15.78min20min

=9.9011

Considerando que las Nabla de calentamiento y enfriamiento son iguales podemos calcular Nabla de mantenimiento.

∇mant=∇total−(∇cal+∇enf )

∇man t=34.538−(9.9011+9.9011)=14.7358

Para calcular el tiempo de mantenimiento es necesario conocer la constante de muerte de Bacillus stearothemophilus a esas condiciones:

K d=A ∙e(−Ea

RT )

Kd=1×1036.2 s−1∙ e( −282986 J

mol

8.314 Jmol

K ∙394.15K)=0.049 s−1

Tiempo= 20min

 Tiempo= 20min.

Tiempo= 5min

tman=∇mant

Kd= 14.7358

0.049 s−1 =300.05 s

El tiempo aproximado de mantenimiento es de 5 minutos y el tempo total de esterilización es aproximadamente de 45 minutos.

Con base a los datos obtenidos podemos simular el comportamiento del ciclo de esterilización del medio de cultivo

Es importante mencionar que la esterilización es poco usada para esta clase de medio ya que al solo contener sales y ninguna otra clase de nutrientes limita solo al crecimiento de algunos organismos fotosintéticos, además es preparado con agua destilada o de osmosis, la cual por si misma ya es prácticamente estéril, en otros ejemplos de cultivo microalgal con un criterio de asepsia moderado es suficiente para evitar la contaminación, ya que en muchos casos, como el nuestro la salida de los gases exhaustos está abierta al exterior.

RESULTADOS PARA ESTERILIZACION DE AIRE

Se plantea para la construcción del reactor el uso de un filtro de esteres de celulosa que es un filtro de membrana con poros de diámetro que varían de 0,45 - 5 μm. De manera estándar hay una relación entre la profundidad del filtro y la constante de filtración ya que son inversamente proporcionales. (Lynn E, 1984)

X 90=2.3∗X

ln [ NN 0 ]

De manera experimental K se obtiene tomando diferentes muestras de N a lo largo de proceso de filtración.

X 90=ln 1

10−K

Criterios de diseño:

−K=ln NN 0X

N 0=9∗103 m.om3

N=1∗1 0−3 m .om3

E=(1− NN 0 )∗100

Ef=[ 1−4.5∝ ]∗E0<∝<0.1 A pesar de que el valor de K es negativo debido a que representa un decremento

la profundidad no puede serlo, por lo que se omite el símbolo negativo. X90 es la profundidad del filtro de membrana para alcanzar el 90% de eficiencia, E es la eficiencia total del

proceso y Ef la eficiencia de una fibra de la membrana.

Para diversos procesos de filtración del gas con CO2 que será disuelto en microalgas se han realizado pruebas experimentales considerando parámetros tales como el diámetro de la fibra DF

(estudios de impacto inercial sobre la superficie de la partícula en contacto con el poro de la fibra y la fuerza de la corriente), la eficiencia de la colección de partículas de una sola fibra que está dada por la ecuación (c) además de que esta relación experimental considera el volumen fraccionario de la membrana que ocupa la fibra α en un rango determinado.(Saavedra et al. 2001)

Con todo esto se obtiene que la profundidad necesaria para un 90% eficiencia igual a:

X 90=ln NN 0

∗(1−∝)∗Df

1.23∗[ 1−4.5∝ ]∗E

X 90=382.9954mm

Considerando una forma cilíndrica para el filtro de membrana una fracción de volumen ∝=0.005 y un valor del diámetro de la fibra de Df=2.2μm.

DISCUSIÓN

PARAMETROS DE CULTIVO Los principales parámetros de cultivo son el CO2 presente en la aireación, la irradiación, el fotoperiodo, la temperatura, el pH y la agitación.

Para calcular las necesidades específicas del medio se hace referencia a la formula CH1,83O0,48N0,11P0,01 como aproximación del crecimiento de las microalgas las cantidades requeridas.

IMPORTANCIA DEL CO2

Aproximadamente el 50% de la biomasa algal en peso seco es carbono; por consiguiente, para producir 100 kg de biomasa seca se está fijando aproximadamente 183 kg de CO2. Actualmente se estima que el contenido de CO2 en el aire está en alrededor de 392 ppm, al usar aire enriquecido con CO2 en valores cercanos al 2% la cantidad de lípidos que puede producir Chlorella puede incrementarse hasta 8 veces.

Para poder predecir y mejorar la transferencia de masa del gas de alimentación al medio de cultivo es necesario tomar en cuenta el tamaño de burbuja y las propiedades del medio de cultivo. La interacción del CO2 con el agua y el amoniaco en fase liquida permitirán aumentar la velocidad de absorción de CO2 en el medio de cultivo.

De la velocidad de alimentación depende también la remoción de oxigeno del medio, el cual resulta toxico para los organismos autótrofos, la saturación correcta de bióxido de carbono en el medio causara un desplazamiento del oxígeno. Existe una relación entre el flujo, el tamaño de la burbuja, los patrones de flujo y la saturación de los componentes del gas que aunque no se ha detallado por completo en diversos estudios se ha comprobado que el desplazamiento provocado por todos estos parámetros causa muerte celular.

PRODUCTIVIDAD

La productividad se define como el gasto o los recursos empleados para lograr cierta producción, en el caso de los biorreactores la productividad se ve expresada por los rendimientos de biomasa y producto con respecto al sustrato:

Y xs=1.30 Kgdebiomasa producidaKgde sustrato consumido

Y ps=0.481 Kgde producto generadoKg de sustrato consumido

Estos rendimientos proporcionan información al momento de estimar el costo de la operación del biorreactor y ayudan a predecir el consumo y producción real en un proceso, la productividad del biorreactor se ve afectada por distintos parámetros de diseño tales como:

Transferencia de masa del gas al líquido.

Suministro de carbono. Tamaño de burbuja. Remoción de oxigeno generado. Transferencia de CO2 al medio.

TRANSFERECIA DE MASA DEL GAS

Se analiza el suministro de carbono y la transferencia por medio del CO 2. La transferencia de masa al gas del líquido se estudia por el agarre del gas que es la fracción de volumen de gas en la fase de dispersión de líquido-gas, el agarre del gas determina el tiempo de residencia del gas en el líquido esto también se ve influenciado por el tamaño de burbuja, este último parámetro influye en el área entre la fase gas-liquido disponible para la transferencia de masa.

SUMINISTRO DE CARBONO

Todas la microalgas usan carbono inorgánico como síntesis de componente orgánicos en medio autotrófico (organismo que produce su propio alimento por medio de la fotosíntesis). Todo el flujo de carbono alimentado es determinado por la velocidad de burbujeo del gas y la presión parcial del CO2. Estos dos parámetros son clave para evitar la limitación del carbono en las microalgas.

TAMAÑO DE BURBUJA

El coeficiente de transferencia de masa mostro dependencia al tamaño de la burbuja, el agarre del gas es más sensible al diámetro de burbuja que el coeficiente de transferencia de masa gas-liquido, aumentando dentro de un rango de tamaño de burbuja, pequeñas burbujas menores a 2mm. De diámetro son más dañinas a las células que las burbujas de 10mm. De diámetro.

REMOCION DE OXIGENO

Altos niveles de oxígeno pueden ser tóxicos junto con una alta exposición a la luz, pueden causar la muerte foto-oxidativa en el cultivo, la alimentación desde el fondo del biorreactor de CO2

favorecer al mezclado, suministrar suficiente CO2 junto con la altura del biorreactor lograr una remoción de oxígeno disuelto, este último en altas concentraciones disminuye la producción de biomasa para evitar que se concentre el oxígeno en el medio se tiene que tener una alta velocidad de burbujeo sin embargo una alta velocidad de entrada de gas ocasionara daño celular. Por lo que se tiene que mantener una velocidad óptima para evitar la concentración y el daño celular.

TRANSFERENCIA DE CO2

La interacción química del CO2 con el agua, amoniaco, y grupos hidroxilo en fase liquida en el medio de cultivo permiten aumentar la velocidad de absorción del mismo. Hay múltiples parámetros a modificar para aumentar la transferencia de masa al medio de cultivo, entre ellos están los del mismo medio y los de la alimentación gaseosa de la columna; entre ellos se pueden citar las características físicas y químicas del medio de cultivo, tales como composición, temperatura, tensión, densidad, fuerzas iónicas o viscosidad, las cuales afectaran el agarre del gas y el tiempo de residencia del mismo.

En la alimentación se puede manipular la presión parcial de CO2, el flujo de alimentación y el tamaño de burbuja.

VOLUMEN DE OPERACIÓN

El volumen operativo de un fotobiorreactor es un parámetro que se ve severamente regido por la disponibilidad de luz que se vaya a otorgar al medio, según Torzillo et al. (1986)

Mientras mayor sea relación de área iluminada sobre el volumen de cultivo, mayor será la concentración celular del cultivo. Una columna de burbujeo no debe tener un diámetro superior a los 20 cm para evitar que disminuya la transferencia de luz, la altura no debe ser superior a los 4m ya que a este valor la concentración de oxigeno aumenta exponencialmente.

El volumen aproximado de la columna es de 8L con un diámetro de 0.1m y una altura de 1.10m, en el escalamiento se demostró que este es el volumen óptimo para tener una fácil limpieza, buena transferencia de luz y tiempo de residencia del gas de burbujeo. La problemática de la producción en masa es resuelta colocando múltiples sistemas en serie y utilizando luz artificial de Xenón ajustando a la longitud de onda de absorción de Chlorella vulgaris.

El volumen de operación del reactor puede considerarse pequeño dado a que se utilizan diámetros pequeños de columna para aumentar la eficiencia de transferencia de luz al medio. La luz solar natural no es viable debido a que causa calentamiento en el sistema, lo cual disminuye la solubilidad del CO2 en el medio, por lo que adicionalmente se debe añadir un sistema de enfriamiento o estar en un espacio cerrado con refrigeración.

ESTERILIZACION

En muchos de los casos de cultivo microalgal se considera innecesario la esterilización del medio de cultivo ya que los fotobiorreactores son usualmente abiertos a la atmosfera para liberar el oxígeno liberado por el metabolismo fotosintético y el que esta disuelto en el medio. Los criterios de limpieza se enfocan regularmente a la eliminación de los agregados celulares formados en las paredes y en las orillas del difusor.

Esta consideración se toma basándose en la composición del medio, el cual consta esencialmente de agua con algunas trazas de sales de distintos metales y amonio como fuente de nitrógeno, lo cual solo permite el crecimiento de organismos autótrofos, los cuales generalmente no se encuentran libres en el ambiente, por lo que es muy raro encontrar organismos que lleguen a competir por el sustrato del medio.

El aire alimentado, al ser producto de un motor de combustión interna es posible que presente una carga microbiana muy baja, sin embargo, puede llegar a contener partículas suspendidas en el humo que pueden llegar a ser perjudiciales para el cultivo, así como hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y azufre, que en contacto con el agua pueden llegar a modificar su pH, por lo que una filtración puede resultar de utilidad para prevenir daños celulares además de obstrucciones en el difusor causadas por la acumulación de partículas que se encontraban suspendidas en la corriente de alimentación del burbujeo.

CONCLUSIONES

La caracterización teórica de un proceso de fermentación mediante el uso de un fotobiorreactor para la producción de Biodiesel permite un acercamiento muy certero a lo que es el proceso en la realidad. Los parámetros establecidos durante la realización del proyecto contribuyen a comprender de una manera eficaz el comportamiento de un proceso de este tipo así como son una herramienta muy útil para comprobar la viabilidad de un proceso, en este caso en particular se encuentra que aunque el proceso es muy apto para la producción de Biodiesel en base a los rendimientos que se obtienen, una de las cuestiones más importantes que podrían perjudicar el uso de este sistema es la relación costo-beneficio.

El diseño de un fotobiorreactor resulta complejo desde el punto de vista teórico ya que son múltiples los factores que afectan el rendimiento del sistema, sin embargo, hay que tomar en cuenta que en la práctica existen factores que no pueden ser considerados, tales como la esterilización y la transferencia de calor, lo cual simplifica en gran manera la construcción del mismo.

Con respecto a los objetivos generales se diseñó y analizó un fotobiorreactor de columna de burbujeo para la producción de Chlorella vulgaris usando las herramientas básicas de la ingeniería, obteniendo los parámetros de operación, características técnicas y físicas sin llevar a cabo la construcción del dispositivo.

Particularmente se obtuvieron las medidas físicas del sistema tales como diámetro interno, altura y volumen de operación. Se definieron los parámetros cinéticos que sigue el cultivo de C. vulgaris, los parámetros de crecimiento y se simulo el cultivo por lote de la producción de biomasa y el consumo de sustrato en función del tiempo mediante el software scilab.

Se analizaron los fenómenos de transporte implicados en el sistema tales como transferencia de momento (reología del medio) transferencia de calor y transferencia de masa con la determinación del Kla del medio de cultivo mediante las correlaciones pertinentes para el sistema para obtener una producción eficiente de biomasa.

REFERENCIAS

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