Diseño integral de biorreactores continuos de tanque agitado aplicados a procesos de fermentación

Abstract

En este trabajo, se formula una estrategia integral de diseño de biorreactores con el objeto de obtener procesos más eficientes desde un punto de vista técnico, energético y ambiental. La estrategia incluye una modificación del método convencional de diseño de biorreactores continuos de tanque agitado, en el cual las condiciones de operación se determinan con base en el análisis de estabilidad del biosistema. Los procesos de fermentación para la producción de etanol con la bacteria Zymomonas mobilis, y la levadura Saccharomyces cerevisiae fueron estudiados. Se analizó el efecto de la velocidad de dilución y la concentración de sustrato en la alimentación sobre la estabilidad de ambos sistemas. También, se analizó el efecto de la velocidad de flujo volumétrico de gas, la velocidad de agitación, el pH y la temperatura sobre la transferencia de masa en un sistema anaeróbico con agitación, con el fin de evaluar el comportamiento del fenómeno de desorción de CO2 en la fermentación con Saccharomyces cerevisiae. Para el análisis de estabilidad de los sistemas se implementó un método de optimización global en General Algebraic Modeling System GAMS en interfase con Matlab. También se utilizó el Aspen Custom Modeler (ACM) para modelar y simular el proceso de fermentación con el fin de determinar el comportamiento del sistema ante perturbaciones en los parámetros durante la operación. Un proceso de fermentación para producción de etanol con Saccharomyces cerevisiae se diseñó utilizando el método convencional de diseño de biorreactores. Las condiciones de operación determinadas se compararon con las establecidas para el mismo sistema con el método modificado. La productividad, el consumo de energía por agitación, el consumo de fluido de servicio para transferencia de calor, y el impacto ambiental potencial se utilizaron como criterio para establecer el diseño que garantiza el mejor desempeño del proceso. Los resultados indicaron que, con la nueva estrategia de diseño, es posible definir condiciones de operación apropiadas que garantizan el alcance y mantenimiento de un estado estable de alta productividad, en equilibrio con un razonable consumo de energía, y de fluidos de servicio / Abstract: In this work, an integral strategy to design bioreactors is formulated in order to obtaining technically, energetically and environmentally more efficient processes. The strategy includes a modification of the conventional method to design continuous stirred tank bioreactors, in which the operation conditions are etermined based on the stability analysis of the biosystem. The fermentation processes for ethanol production with the bacteria Zymomonas mobilis, and the yeast Saccharomyces cerevisiae were studied. It was analyzed the effect of the dilution rate and the feed substrate concentration on stability of both systems. Also, the effect of the gas volumetric flowrate, the agitation rate, the pH and the temperature on the mass transfer was analyzed in an anaerobic system with agitation, with the purpose of evaluating the behavior of the CO2 desorption phenomenon in the fermentation with Saccharomyces cerevisiae. A global optimization method was implemented in General Algebraic Modeling System (GAMS) in interface with Matlab to execute the stability analysis of the systems. Also the Aspen Custom Modeler (ACM) was used to model and to simulate the fermentation process with the purpose of determining the system behavior when the parameters are perturbed during the operation. A fermentation process for ethanol production with Saccharomyces cerevisiae was designed using the conventional method for biorreactor design. The determined operation conditions were compared with the established ones for the same system with the modified method. The productivity, the energy consumption for agitation, the consumption of service fluid for heat transfer, and the potential environmental impact were used as criteria to define the design that guarantees the process with best performance. The results indicated that, with the new design strategy, it is possible to define appropriate operation conditions that guarantee the reach and maintenance of a high productivity stable state in balance with reasonable energy and service fluids consumption.