Efectos de la variación de la constante de biodegradación en el diseño de biorreactores continuos en serie

Abstract

El presente trabajo está enfocado a la comprobación teórica-práctica de la mejora en el desempeño como consecuencia de la variación en la constante de velocidad de reacción de un sistema continuo, isotérmico de biorreactores en serie operando en estado estacionario. Se presenta, además, un procedimiento numérico para su diseño que intenta predecir la relación óptima de volúmenes para una dada eficiencia.

Para cumplir con este planteamiento se realizó un proceso de investigación y experimentación, iniciando con un análisis del comportamiento de la constante de velocidad de reacción (k) en tres de los 4 biorreactores en serie de la planta de tratamiento de agua del ITESM, observándose como resultado la existencia de una variación importante en k de un biorreactor a otro.

Se llevó a cabo la construcción de dos sistemas con 3 biorreactores en serie cada uno; ambos con un volumen total de 21L. El primer sistema con volúmenes iguales y el segundo sistema, con volúmenes diferentes (relación basada en ejercicios teóricos y en resultados de la planta en operación), con el fin de analizar y comparar su comportamiento.

En la comparación entre ambos sistemas se trabajó a 2 diferentes flujos (16 y 22 ml/min). Los resultados experimentales al estado estacionario muestran que el sistema de biorreactores con volúmenes diferentes obtuvo en ambos casos una mayor eficiencia del proceso (valores de k mayores), un mayor consumo específico de oxígeno, una mayor concentración de biomasa y un índice volumétrico de lodos menor.

Por lo anterior se confirma el efecto que sobre el diseño tiene las diferencias en la constante de velocidad de reacción en cada una de las etapas.

Con el fin de desarrollar un procedimiento a-priori y estar en capacidad de estimar el tamaño de las diferentes etapas de reacción, se generó un procedimiento que incluye, en primer lugar, una etapa experimental en un sistema batch con el fin de analizar el comportamiento de la biodegradación y obtener una aproximación de las magnitudes cambiantes de k.

Con los valores encontrados para k, se utilizó un procedimiento numérico con la idea de predecir la variabilidad de volúmenes óptima de un biorreactor a otro, y así; obtener mayor eficiencia de reacción. Durante el procedimiento de análisis se utilizaron distintas ecuaciones de aproximación y restricciones del proceso, los cuales podrían generar ciertas limitantes, por esto; se plantearon en el transcurso del proyecto diversas formas e ideas de llevar a cabo el proceso enfocados a alcanzar el mismo objetivo con el fin de que su aplicación pudiera disminuir las limitaciones del programa generado.