Estudio de transporte de momento y masa en un biorreactor de partición de tres fases (agua-aire-líquido iónico), utilizando dinámica de fluidos computacionales (CFD), para escalamiento descendente Public Deposited
En este trabajo se realiza el estudio de transferencia de momento y masa en ausencia de reacción en un biorreactor de partición de tres fases con el objetivo de utilizar esta información para realizar un escalamiento descendente basado en criterios de similitud geométrica y el método π de Buckingham. Primero, se estudia el biorreactor de 1L, se describe el comportamiento hidrodinámico y de transferencia de masa mediante el uso de dinámica de fluidos computacionales (CFD) para la generación de valores para los coeficientes globales de transferencia de oxígeno, los cuales van de 19 a 210 h-1, y los coeficientes globales de transferencia de sustrato y producto que están entre 207-2174 y 4-411 h-1, respectivamente. Estos coeficientes se encontraron en el mismo orden de magnitud que los reportados en estudios experimentales para el mismo sistema de biorreacción. Posteriormente se realiza un escalamiento descendente del biorreactor de 1 L a un biorreactor de 100 mL. El sistema de 100 mL fue construido utilizando criterios de similitud geométrica, y fue operado con condiciones de operación obtenidas por un criterio basado en similitud hidrodinámica utilizando una relación consumo de potencia con aire por unidad de volumen (P/V) constante, que utilizó el número de potencia Np y el número de aeración Na. Estos criterios de similitud hidrodinámica y P/V constante para el escalamiento se corroboraron realizando simulaciones de CDF utilizando COMSOL Multhiphysics 3.4a. El primer paso fue observar si ambos biorreactores (1L y 100 mL) manejaban velocidades locales similares, para así realizar un estudio de transferencia de masa de oxígeno de la fase gaseosa a la acuosa mediante la obtención del coeficiente de transferencia de oxígeno (kLa). Las simulaciones hidrodinámicas y de transferencia de masa fueron similares en ambos biorreactores. Así también, los valores obtenidos de kLa mediante CFD para los dos biorreactores se compararon con los obtenidos mediante experimentos por el método dinámico. Los valores de kLa fueron similares con las dos aproximaciones, lo cual sugiere que el escalamiento descendente mediante los criterios establecidos puede ser utilizado con confianza bajo condiciones de reacción en un estudio futuro.
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