A METHOD FOR THE DESIGN OF A CONTINUOUS MICROALGAE CULTURE PHOTOBIOREACTOR IN SERIES WITH RECIRCULATION SYSTEM

Abstract

espanolRESUMEN Hoy en dia, existen fotobiorreactores (PBRs de su sigla en ingles) a escala piloto funcionales, que presentan serios desafios al momento de realizar un proceso de escalamiento para una aplicacion industrial. Este trabajo propone evaluar el diseno de varios fotobiorreactores continuos de placa plana conectados en serie con recirculacion desde la ultima unidad hasta la primera, para analizar la viabilidad del escalado de la productividad a partir de la adicion de mas unidades en lugar de incrementar el volumen del fotobiorreactor. Para esto, se ha construido un modelo matematico basado en los balances de masa y ecuaciones constitutivas de la literatura, en las cuales se integran los efectos de la iluminacion y la transferencia de masa en la cinetica de crecimiento de las microalgas. Desafortunadamente, se obtiene un modelo que es muy complejo para evaluar por medios convencionales. Adicionalmente, presenta problemas al evaluarse por metodos numericos ya que se obtienen resultados que no tienen explicacion fisica y la solucion tiene una gran dependencia de las condiciones iniciales. Por lo tanto, este articulo presenta un metodo sencillo para el analisis del diseno de este tipo de sistema continuo. El metodo permite obtener los parametros de diseno del sistema de fotobiorreactores y soluciones con sentido fisico de una forma sencilla, sin tener que tantear las posibles soluciones del sistema. Adicionalmente se muestra que el sistema de fotobiorreactores continuos en serie con recirculacion proporciona una buena productividad de microalgas. EnglishABSTRACT Nowadays, there are functional pilot scale PhotoBioReactors (PBRs), which present serious challenges when performing a scaling up process for an industrial application. The aim of this research was to evaluate the design of several continuous flat plate PBRs connected in series, while allowing constant circulation from the last to the first unit. Scaling up feasibility using the adjunction of new units, instead of PBRs volume increase is analyzed. An ad hoc mathematical model based on mass balances and constitutive equations from literature was constructed; the model integrates the illumination and mass transfer effects on microalgae growth kinetics by a complete model solution. Unfortunately, the model is too complex to be analyzed by conventional methods. Furthermore, it presents problems when evaluated by numeric methods as the results do not have physical meaning and the initial condition has strong effect on the final solution. Hence, this paper presents a simple method to analyze the design of this kind of continuous system. The method allows the design parameters calculation of PBRs system resulting physically in a simple way without having to guess possible system solutions. Moreover it is also shown that the continuous PBRs in series with a recirculation system obtain good amount of microalgae productivity. portuguesRESUMO Atualmente existem fotobioreatores de escala piloto funcionais, porem trazem serias complicacoes para executar um processo de escalonamento para uma implementacao industrial. Este trabalho propoe avaliar a concepcao de varios fotobioreatores continuos de placa plana conectados em serie com recirculacao desde a ultima unidade ate a primeira, para analisar a viabilidade do escalonamento da produtividade a partir da adicao de mais unidades em vez de aumentar o volume do fotobioreator. Para este proposito um modelo matematico foi construido baseado nos balancos de massa e equacoes constitutivas da literatura, nas quais se integram os efeitos da iluminacao e a transferencia de massa na cinetica de crescimento das microalgas. Infelizmente, obtem-se um modelo que e muito complexo para ser avaliado atraves de meios convencionais. Alem disso, apresenta problemas ao ser avaliado com metodos numericos, ha que se obtem resultados que nao tem explicacao fisica e a solucao tem uma grande dependencia das condicoes iniciais. Portanto, este artigo apresenta um metodo simples para a analise do desenho deste tipo de sistema continuo. O metodo permite obter os parâmetros do desenho do sistema de fotobioreatores e solucoes com sentido fisico de forma simples, sem ter que tentar possiveis solucoes do sistema. Alem disso, mostra-se que o sistema de fotobioreatores continuos em serie com recirculacao oferece uma boa produtividade de microalgas.