Caracterización de los fenómenos de transporte (momento, calor y masa) en un biorreactor de charola para fermentación en medio sólido bajo condiciones abióticas - Couder García, Moisés (Universidad Autónoma Metropolitana, 2018)
La fermentación en medio sólido (FMS) es una tecnología prometedora debido que, a partir de subproductos agroindustriales es posible, recuperar y producir metabolitos con valor agregado. La FMS utiliza un menor requerimiento de agua de agua con respecto a la fermentación sumergida (FSm), además, se ha demostrado que los costos de implementación para la FMS son menores a los costos de implementación de procesos de FSm. Sin embargo, la FMS aún tiene limitaciones de acumulación del calor metabólico producido por los microorganismos, siendo uno de los factores, que dificultan el diseño conceptual de biorreactores a escala industrial. Para lograr un diseño conceptual confiable de biorreactores para la FMS, es necesario realizar una caracterización de los fenómenos de transporte (momento, calor y masa) presentes en un biorreactor de FMS. En la actualidad, el diseño conceptual de esta clase de biorreactores se realiza de manera heurística, sin realizar un estudio determinístico sobre la hidrodinámica, la transferencia de calor y masa dentro del biorreactor. En el presente trabajo se caracterizaron los distintos mecanismos de transporte en un biorreactor de lecho empacado de una FMS en condiciones abióticas con geometría rectangular. El biorreactor se empaco con subproductos agroindustriales conformado por pasta de soya y cascaras de frutas y verduras, previamente deshidratadas, el empaque tuvo una altura de 5 cm, mientras que el flujo de alimentación de aire fue de 0.2, 0.3 y 0.4 litros de aire por minuto (0.5, 0.75 y 1 VKgM). La temperatura fue regulada por inmersión en un baño de agua con temperatura controlada. Primero se caracterizó la hidrodinámica del biorreactor de FMS, empacado y bajo condiciones abióticas. Esto se realizó empleando dos modelos diferentes: el modelo convencional de Navier-Stokes-Darcy-Forchheimer, y un modelo pseudo-analítico que se desarrolló a partir del modelo convencional mediante la determinación de la viscosidad turbulenta (parámetro presente en el modelo hidrodinámico de dos zonas). Para ambos modelos, las resistencias viscosas e inerciales debidas a la presencia del sólido (pasta de soya y cascaras de frutas y verduras) se determinaron a partir de datos experimentales de caída de presión. Así también se caracterizó la transferencia de calor incorporando el efecto de la hidrodinámica, y estimando la conductividad térmica efectiva en la dirección del ancho y el coeficiente de transferencia de calor en la pared. Se encontró que la conductividad térmica efectiva del biorreactor que se determinó en este trabajo es hasta 10 veces menor a lo que se obtiene de la literatura mediante correlaciones, las cuales sólo toman en cuenta las características del sólido (pasta de soya y cascaras de frutas y verduras). También se obtuvo una correlación para la conductividad térmica efectiva en la cual se toma una contribución estática (mecanismos independientes del flujo del fluido) y otra contribución dinámica (mecanismos dependientes del flujo del fluido), en la cual se obtuvo que la conductividad térmica efectiva es 10 veces mayor en la región de la pared (donde se encuentra la velocidad máxima). Finalmente se caracterizó la dispersión dentro del biorreactor. El ajuste de datos experimentales de concentración de oxigeno/tiempo con un modelo de conveccióndispersión permitió la determinación del coeficiente de dispersión, o el inverso del número de Peclet (D/UL). Se obtuvieron valores de D/UL de alrededor de 176 lo cual sugiere que existen fenómenos de retro-mezclado, lo cual puede limitar (en algunas zonas) el transporte de oxígeno a sólo el mecanismo de difusión en el biorreactor.