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.