Diseño y Optimización de Fotobiorreactores Raceway y Capa Fina mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) acoplado a Métodos Numéricos de Fotosíntesis.

Abstract

Desde su nacimiento la biotecnología de microalgas está en continua expansión, proceso que se ha acelerado en los últimos años dado el elevado número y relevancia de las aplicaciones con las que se relaciona. Así, este ámbito de la biotecnología se ha relacionado tradicionalmente con la producción de alimento para acuicultura, pero hoy día son muy diversas las aplicaciones en cosmética y nutracéutica, alimentación humana y animal, producción de bioplásticos y bioestimulantes/biopesticidas agrícolas, y hasta el tratamiento de aguas residuales y la producción de biocombustibles. Este desarrollo obliga al aumento de la escala de producción por lo que actualmente, el mayor desafío es industrializar la producción de microalgas tanto por aumento del tamaño de los fotobiorreactores como por mejora de su eficiencia. Para ello, se pueden emplear metodologías basadas en aproximaciones experimentales que conllevan mucho tiempo y coste. Como alternativa se plantea el uso de métodos numéricos basados en dinámica computacional de fluidos y modelos dinámicos de fotosíntesis. Estos métodos son altamente flexibles y reducen tanto el tiempo como el coste de las tareas de optimización, si bien los diseños y condiciones óptimas determinadas deben ser siempre evaluadas de forma experimental para su validación.

En esta tesis se hace uso de estas herramientas para la optimización del diseño y operación de dos tipos de reactores abiertos de los más habitualmente utilizados: raceway y thin-layer. En concreto se aborda la optimización de la hidrodinámica en estos sistemas, así como la mejora del régimen de luz al que las células se ven expuestas en estos sistemas, y como evitar la acumulación de oxígeno que reduce la velocidad de fotosíntesis en los cultivos. Los resultados muestran como los fotobiorreactores utilizados para la producción de microalgas tienen gran flexibilidad en su diseño geométrico y se pueden adaptar a las necesidades fotosintéticas de las microalgas para garantizar la máxima eficiencia de éstas. En resumen, se abordan cuatro objetivos principales que se relacionan con cada una de las publicaciones relacionadas:

1. Optimizar el diseño hidrodinámico de reactores raceway: Aunque los reactores raceway son ampliamente utilizados, ya que se emplean para producir más del 90% de la producción mundial de microalgas, su diseño se ha modificado muy poco desde los años 60 cuando que se desarrollaron. Para alcanzar este objetivo se ha optimizado el diseño y la fluidodinámica de un fotobiorreactor raceway de 500 m2 de superficie, como ejemplo representativo de una escala industrial, utilizando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Se estudió la influencia del tipo de curvatura (tradicional, tabique isla y tabique deflector) y de la velocidad del líquido, en la fluidodinámica del sistema. Un análisis monofásico empleando el Método de Elementos Finitos (FEM) con COMSOL Multiphysics™ permite confirmar que la utilización de deflectores en el tipo de curva de tabique deflector proporciona el mejor rendimiento en términos de velocidad del fluido, reducción de zonas muertas, menor tiempo de residencia y un adecuado Número de Reynolds de la celda. Para un análisis multifásico más profundo se utilizó el método de volumen finito (FVM) con ANSYS-Fluent, considerando la geometría y la velocidad de rotación de la rueda de paletas. Se estudiaron diferentes velocidades angulares entre 14 y 20 rpm. Los resultados muestran que a 18 rpm se alcanzó una velocidad de líquido promedio de 0.38 m·s−1 que se estabilizó a los 240 s, la caída de presión en el sistema general se estabiliza en 700 Pa a los 330 s, el consumo de energía en el rango de 30 W·m−3, una intensidad de turbulencia máxima de 0.4 y una vorticidad superior a 9 s−1 en áreas adyacentes a la rueda de paletas. Además, se determinó que más del 14% del volumen total es útil para la transferencia de masa con la atmósfera, así como para la pérdida de agua por evaporación. 2. Optimizar la producción de biomasa en reactores raceway mediante mejora de la mezcla vertical en estos reactores: Debido a la elevada profundidad de cultivo empleada en los reactores raceway, de entre 0.2 y 0.3 m, y a la elevada concentración de biomasa en los mismos, la mayor parte del cultivo se encuentra en oscuridad, siendo menos del 25% el volumen de cultivo que recibe valores de irradiancia superiores a la irradiancia de compensación. Esto hace que la velocidad de fotosíntesis sea función de la irradiancia local en lugar de producirse la integración de luz por las células que daría como resultado una mayor velocidad neta de fotosíntesis. Para mejorar el grado de integración de la luz en los cultivos de microalgas desarrollados en reactores raceway se han diseñado y ensayados diversas configuraciones de bafles que mejoran la mezcla vertical. Los bafles han sido diseñados y evaluados mediante simulaciones utilizando Dinámica Computacional de Fluidos, para seguidamente ensayarse de forma experimental. Los resultados confirman que el uso de estos sistemas mejora significativamente la mezcla vertical pero que dada la magnitud del problema las mejoras de rendimiento alcanzables son poco relevantes, llegándose a mejoras de máximo el 30% en las condiciones más ideales posibles. Es un reto tecnológico aún por resolver, pero se han puesto las bases para su cuantificación y conocer cuánto de lejos estamos de poder lograrlo. 3. Caracterizar la velocidad de fotosíntesis y fenómenos más relevantes que tiene lugar en reactores de capa fina: Como alternativa al uso de reactores raceway se ha propuesto el empleo de reactores de capa fina. Estos reactores son conceptualmente análogos a los reactores raceway pero operan a profundidades de cultivo mucho menores, de entre 0.01 y 0.05 m. Esto hace que presumiblemente la irradiancia disponible por las células sea mucho mayor y con ello también la frecuencia de exposición de las mismas a la luz. Este tipo de reactores fueron propuestos en los años 90, pero hasta ahora no se ha realizado un análisis detallado de su diseño y operación. Para realizar dicho análisis se ha desarrollado un método Euleriano en 2D para predecir la concentración de oxígeno disuelto de los cultivos en función del diseño y condiciones de operación en el reactor. El objetivo es desarrollar una metodología basada en dinámica de fluidos computacional (CFD) que permita simular dos fenómenos relevantes que rigen la distribución del oxígeno disuelto al interior del fotobiorreactor: (i) La transferencia de masa a través de la interfaz líquido-aire y (ii) evolución del oxígeno debido a la fotosíntesis de microalgas, incluida la inhibición por el mismo oxígeno disuelto. Para validar la metodología, se realizaron ensayos experimentales en un reactor de capa fina abierto de 80 metros de largo. Los resultados confirman la validez de la herramienta de simulación desarrollada. Más aún, ponen de manifiesto la elevada concentración de oxígeno disuelto que se alcanza en estos cultivos y por ello como estos reactores no operan en sus condiciones óptimas, existiendo un fuerte efecto de foto-respiración. Este estudio pone de manifiesto la potencialidad de los reactores de capa fina, pero a la vez como deben ser analizados en detalle para lograr aprovechar todo este potencial, siendo las herramientas de simulación numérica una estrategia adecuada para abordar esta tarea. 4. Proponer un diseño y condiciones óptimas de operación para reactores de capa fina: Conocidos los fenómenos principales que tienen lugar en los reactores de capa fina y su potencial, se ha abordado la optimización tanto de su diseño como de las condiciones de operación en el mismo, especialmente la altura de líquido más adecuada. Para ello se han utilizado las herramientas numéricas de simulación fluidodinámica, acoplando en este caso un modelo dinámico de fotosíntesis que representa mucho mejor los efectos de la frecuencia de exposición de las células a la luz en función de estas variables. Las herramientas de simulación fluidodinámica permiten caracterizar las variaciones de profundidad y velocidad del cultivo, además de estimar el movimiento de las células con el tiempo. Los modelos de tasa de fotosíntesis permiten estimar la tasa de producción de oxígeno y la productividad de la biomasa en diferentes escenarios. El análisis de resultados permite determinar la concentración óptima de biomasa y la longitud del canal para una configuración fija del reactor: Además, el modelo desarrollado es una herramienta útil para la optimización del diseño de este tipo de fotobiorreactores o para definir las condiciones operativas óptimas para los que ya están en funcionamiento, por lo que es una herramienta valiosa para el desarrollo industrial de esta tecnología.

Con todo ello, en esta tesis se demuestra la utilidad de desarrollar herramientas de simulación de reactores abiertos para la producción de microalgas como método más rápido y eficaz para optimizar su diseño y operación. Se pone de manifiesto que los reactores raceway se pueden mejorar desde el punto de vista fluidodinámico, y que, aunque la mejora de la integración de la luz para maximizar el rendimiento de los cultivos es posible, aún se está lejos de poder lograrlo en la práctica. Los resultados presentados en esta tesis son un paso adelante relevante en la mejora de la producción de microalgas a gran escala y para toda la industria relacionada con la biotecnología de microalgas para cualquiera de sus aplicaciones.