Simulacion de los ciclos de luz y oscuridad en un fotobiorreactor tipo columna de burbujeo usando CFD

Abstract

En este estudio se presenta una metodología para la estimación de la frecuencia de los ciclos luz y oscuridad basada en la simulación y validación del campo de flujo de una columna de burbujeo mediante herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés). Dos variables globales como los son la fracción de gas y el tiempo de mezcla son estimadas experimentalmente en una columna de burbujeo y sirven para validar las simulaciones realizadas en CFD. Una vez se tiene validado el campo de flujo se analizan las posibles trayectorias de partículas con masa cero (densidad similar a la del agua), acopladas a un modelo de atenuación de luz con el fin de predecir los ciclos de luz y oscuridad en un fotobiorreactor tipo columna de burbujeo. Finalmente se lleva a cabo una comparación teórica entre las variables hidrodinámicas (Fracciones de gas, tiempos de mezcla, ciclos de luz y oscuridad) en una columna de burbujeo sin platos y una columna de burbujeo con platos. Particularmente las simulaciones CFD sugieren que la inclusión de platos concéntricos sólidos incrementa la fracción de gas 79% y disminuyen el tiempo de mezcla 48% para velocidades superficiales de gas idénticas. Con respecto a los ciclos de luz y oscuridad la inclusión de platos aumenta la heterogeneidad con ciclos de luz y oscuridad muy altos (mayores que en la columna de burbujeo sin platos), y otros muy bajos o nulos. / Abstract: In this study is present a methodology that allow estimate the frequency of light/dark cycles using dynamics computer fluid (CFD) as tool that help to find field flow. Two global variables (gas hold-up and mixing time) are estimated experimentally in a laboratory bubble column and they are using to validate the model and the simulations carry out in CFD. Once it is had validated the flow field the trajectory of the microalgae was analyzed and related with the attenuation light model in order to predict the light/dark cycles in a bubble column photobioreactor. Finally, it is carry out a comparison between the hydrodynamics variables (gas hold-up, mixing time, and light/dark cycles) in a bubble column photobioreactor with concentric plates and without concentric plates. Particularly, CFD simulations suggest that the inclusion of concentric solid plates into a bubbling column increase the gas hold-up by 79% and the mixing time by 48% when is compared with a column without plates operating at similar superficial gas velocities. With regard to the light/dark cycles the inclusion of concentric solid plates enhanced the heterogeneity of the light/dark cycles, with high ones (greater that in the bubble column with plates) and others smaller.