Modelado de la transferencia de masa y reacciones en biorreactores anaerobios tubulares para la conversión de almidón no alimentario en bioetanol Public Deposited
Los biorreactores de lecho empacado son sistemas versátiles para la producción de biocombustibles. En particular, los equipos para la producción de bioetanol a partir de almidón no alimentario involucran dos etapas, la hidrólisis y la fermentación, las cuales ocurren durante la fase aerobia y anaerobia respectivamente. A pesar de que la tecnología de este tipo de sistemas ha ido aumentando, al grado de contar actualmente con sistemas de cuarta generación, los biorreactores de primera generación aún son ampliamente usados pues marcan un punto de referencia para otro tipo de equipos. Más aún, el contar con modelos confiables para simular este tipo de sistemas constituye una herramienta valiosa tanto en el diseño de equipos como en su control y optimización, así como en el diseño de experimentos. Motivados por lo anterior, en nuestro grupo de trabajo hemos iniciado una investigación dedicada a desarrollar modelos matemáticos en los diversos niveles de escala involucrados en el biorreactor. Dada la naturaleza jerárquica del sistema, se han identificado diversos niveles de escala que van desde el interior de las fibras del bagazo donde ocurre la reacción (escala microscópica), hasta el biorreactor mismo donde se monitorean los diferentes productos obtenidos de dicha reacción (escala macroscópica). En específico, en este trabajo el interés está dirigido a la etapa anaerobia de la operación, pues es cuando se comienza a dar el proceso fermentativo y, por tanto, la producción de bioetanol. A lo largo de esta investigación, se deducen las ecuaciones de medio efectivo y se calculan los coeficientes asociados en cada nivel. En la escala microscópica, se obtuvieron las relaciones adimensionales de la difusividad, dando lugar a una ecuación promedio que describe la acumulación, difusión y reacción para dicha escala. Con base en lo obtenido, se propuso el escalamiento intermedio donde se tomó en cuenta la contribución de la convección. Con ello, se obtuvieron relaciones de difusividad anidadas al escalamiento anterior, dando lugar a una ecuación de transporte de acumulación, convección, dispersión y reacción. Para obtener el modelo que aplique en la escala macroscópica, se tomó un promedio en la sección transversal del sistema, dando lugar a un modelo de tipo dispersión axial, que toma en cuenta toda la información obtenida de las escalas previas. Aunado a ello, se han llevado a cabo los análisis paramétricos correspondientes, donde se observa la relación entre las diferentes escalas del biorreactor para las fases aerobia y anaerobia. Una vez obtenidas estas relaciones, se propone el análisis para evaluar la concentración a la salida del biorreactor que permite determinar por medio de la relación estequiométrica de la fermentación alcohólica, el consumo de almidón y la producción de bioetanol. Se realizó una comparación con datos experimentales de la producción de bioetanol y con modelos biológicos usados en la práctica. Finalmente, se obtuvo para el presente trabajo un máximo error relativo de 8.51 % contra 9.50 % para los modelos biológicos. Los modelos presentados durante el presente trabajo, pretenden apoyar a la implementación de los sistemas experimentales. Lo anterior, se puede expresar como una forma de visualizar con anticipación los perfiles de transferencia de masa y reacción biológica, ya que se pueden realizar simulaciones numéricas para observar el comportamiento del sistema a estudiar. Esto último, mejora la comprensión de los modelos y genera certidumbre al proponer un sistema experimental para la producción de bioetanol.
Packed bed bioreactors are versatile systems for the production of biofuels. In particular, equipment for the production of bioethanol from non-food starch involve two stages, hydrolysis and fermentation, which occur during the aerobic and anaerobic respectively. Although the technology of this type of systems has increased, up to fourth generation systems, first generation bioreactors are still widely used as a reference for other equipment. Moreover, the availability of reliable models to simulate such systems is a valuable tool in equipment desingn, control, optimization and design of experiments. Motivated by the above, our work group has initiated a research aimed to develop mathematical models at various levels of scale involved in the bioreactor. Given the hierarchical nature of the system we identified various scale levels ranging from inside bagasse fibers wherein the reaction (microscopic scale) occurs, to the bioreactor where the various products obtained from this reaction are monitored (macroscopic scale ). Specifically, in this work the interest is directed to the anaerobic stage of the operation, since it is when the fermentation process takes place and, therefore, the production of bioethanol. Throughout this investigation, the average effective equations are derived and associated coefficients are calculated in each level. At the microscopic scale, the dimensionless ratios diffusivities is obtained, resulting in an equation describing the average accumulation, diffusion and reaction to this scale. These effective medium equations become the starting point for the derivation of the model at an intermediate level of scale in which convection is taken into account, resulting in an transport equation involving accumulation, convection, diffusion and reaction. For the analisys in the macroscopic scale, an average is taken over the cross section of the system, leading to an axial dispersion model, which takes into account all the information obtained from previous scales. Besides this, we carry out the parametric analyse, where the relationship between different scales of the bioreactor is observed during the aerobic and anaerobic stages. Once obtained these relationships, we suggest to evaluate the concentration at the outlet of the biorreactor for determining by the stoichiometric ratio of the alcoholic fermentation, starch consumption an the production of bioethanol. A comparison with experimental data for bioethanol production and biological models used in practice was performed. Finally, for this work a maxium relative error of 8.51 % is obtained against 9.50 % for the biological models. The models presented in this work are intended to support the implementation of the experimental systems. The above, can be expressed as a form of see ahead profiles of biological mass transfer and reaction, beacuse it can be performed numerical simulations to observe the behavior of the system to study. The latter, enhances the understanding of modeling and generates certainty by proposing an experimental system for the production of bioethanol.
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