Predicción del comportamiento hidrodinámico en el escalado de un reactor de tanque agitado para procesos aerobios, mediante CFD

CFD prediction of hydrodynamic behavior in the scale up of a stirred tank reactor for aerobic processes

En el presente trabajo se analiza mediante simulaciones en CFD (Dinámica de Fluidos Computacional)el comportamiento de la hidrodinámica líquido-gaseosa en el escalado de un biorreactor, aplicandocriterios empíricos comúnmente utilizados en procesos biotecnológicos (Número de Reynolds Re y Potencia por unidad de volumen P/V) en reactores de tanque agitado de 0,050 y 0,500 m³. Los efectosde la turbulencia, flujo rotativo, ruptura y coalescencia de burbujas son simulados mediante los modelosk-e, MRF (Multiple Reference Frame) y PBM (Population Balance Model). El criterio de escalado P/Vpresenta mejores similitudes hidrodinámicas que el criterio de escalado Re respecto del reactor de 0,050 m³; sin embargo, el alto consumo de potencia y el posible daño microbiano generado por la turbulencia encultivos de células animales pueden ser desventajas en prototipos a gran escala.

INTRODUCCIÓN

El éxito de muchos procesos biotecnológicos a escala industrial depende de una agitación y aireación efectiva de los fluidos presentes. La hidrodinámica desarrollada en un biorreactor promueve la transferencia de masa y calor entre las fases y la distribución uniforme de los nutrientes durante un proceso fermentativo. Durante el cambio de escala surgen problemas asociados con la hidrodinámica de biorreactores que consecuentemente reducen, en algunos casos, la productividad de un bioproceso, respecto de escalas de laboratorio [1-3]. El alejamiento de las condiciones de mezcla completa con el incremento de la escala, genera gradientes que conducen a un distanciamiento de las condiciones óptimas encontradas en condiciones de laboratorio. Gradientes de gases, esfuerzos cortantes, entre otros, en fluidos multifásicos que comúnmente son utilizados en procesos biotecnológicos, son causados por una deficiente mezcla generada por la adopción de métodos empíricos como estrategias de escalado. Todos los criterios empíricos de escalado como Re (Número de Reynolds constante) y P/V (Potencia por unidad de volumen constante), entre otros, se basan en aproximaciones ideales para mantener un parámetro de operación constante en ambas escalas, dejando de lado la hidrodinámica y los fenómenos de transporte que gobiernan el proceso de escalado. Conocer el comportamiento hidrodinámico durante la operación de biorreactores a diferentes escalas de operación permite identificar el grado de alejamiento de la mezcla perfecta que viene asociado cuando se emplean los diferentes criterios empíricos en el escalado. La dinámica de fluidos computacional (CFD del inglés Computational Fluid Dynamics) es una muy útil herramienta para analizar en detalle el fenómeno de la turbulencia en biorreactores de tanque agitado, los cuales son comúnmente usados en procesos de fermentaciones microbianas.