Aumento de escala por meio de modelagem matemática de reatores anaeróbios para tratamento de águas residuais de levedura
DOI:
https://doi.org/10.5935/jetia.v9i44.938Resumo
O tratamento de águas residuais por digestão anaeróbia é uma solução viável para o descarte de resíduos líquidos industriais com diferentes níveis de contaminação. A cinética da reação de digestão anaeróbia, em reatores tubulares de laboratório, por um consórcio de microrganismos para tratamento de resíduos líquidos de uma indústria de levedura alimentar não se ajusta a uma equação Monod, mas sim a um ajuste numérico realizado com o programa Table Curve 2D. Onde 0,65 d-1 foi determinado como a taxa máxima de crescimento celular e demais parâmetros da cinética microbiana. O erro com que o modelo selecionado descreve os resultados experimentais é de ± 24 mg/L. A análise matemática dos modelos utilizados foi realizada no software MATLAB®, que permitiu a determinação de um novo número adimensional, denominado Gai, que facilitou a análise, dimensionamento por modelagem matemática e dimensionamento dos reatores anaeróbios em escala industrial para o tratamento de 430 m3/d de resíduos. Foram dimensionados biorreatores tubulares com altura total de 18,93 m e 2,4 m de diâmetro. A vazão necessária de 2,91 m3/h também foi determinada. O número de Gai é uma relação entre os fenômenos governantes do processo estudado, as constantes de conversão e de tempo de residência, com dois mecanismos principais envolvidos no processo: fluxo convectivo e conversão. Uma vez demonstrado que não existem restrições difusionais na folha anaeróbica.
Downloads
Referências
R. Cortés Martínez, F. Ramos Miranda, J. E. Miño Valdés, O. Pérez Navarro y E. González Suárez, “Modelación y simulación de procesos en la intensificación de instalaciones de la industria química”, +Ingenio, Jul - Dic 2020 V2 N2, pp. 22–36, febrero de 2021. [Online]. https://doi.org/10.36995/j.masingenio.2021.02.02.002
M. J. Wade, “Not just numbers: Mathematical modelling and its contribution to anaerobic digestion processes”, Processes, vol. 8, n.º 8, p. 888, julio de 2020. Accessed: Oct. 11 2023. Aviable: https://doi.org/10.3390/pr8080888
F. A. Ortega Quintana, H. Álvarez y H. A. Botero Castro, “Enfrentando el modelado de bioprocesos: Una revisión de las metodologías de modelado”, Rev. ION, vol. 30, n.º 1, pp. 73–90, junio de 2017. Accessed Oct. 11 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.18273/revion.v30n1-2017006
S. Emebu, J. Pecha y D. Janáčová, “Review on anaerobic digestion models: Model classification & elaboration of process phenomena”, Renewable Sustain. Energy Rev., vol. 160, p. 112288, mayo de 2022. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112288
A. Basile et al., “Modelling of microbial interactions in anaerobic digestion: From black to glass box”, Current Opinion Microbiol., vol. 75, p. 102363, octubre de 2023. Accessed Oct 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.mib.2023.102363
Z. Barahmand y G. Samarakoon, “Anaerobic digestion process modeling under uncertainty: A narrative review”, Int. J. Energy Prod. Manage., vol. 8, n.º 1, pp. 41–54, marzo de 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.18280/ijepm.080106
S. S. Hosseini y J. F. M. Denayer, “Biogas upgrading by adsorption processes: Mathematical modeling, simulation and optimization approach – A review”, J. Environmental Chem. Eng., vol. 10, n.º 3, p. 107483, junio de 2022. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.107483
L. E. Solís Granda, “Modelación matemática del tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas para la hacienda teresita, sector agrícola de milagro”, Tesis de maestría, Univ. Estatal Milagro, Guayas, 2022. [Online]. Aviable: http://repositorio.unemi.edu.ec/handle/123456789/6050
N. W. F. Kossen, “Scale-up in Biotechnology”, en Recent Advances in Biotechnology. Dordrecht: Springer Neth., 1992, pp. 147–182. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1007/978-94-011-2468-3_7
N. Mahendrasinh Kosamia, M. Samavi, K. Piok y S. Kumar Rakshit, “Perspectives for scale up of biorefineries using biochemical conversion pathways: Technology status, techno-economic, and sustainable approaches”, Fuel, vol. 324, p. 124532, septiembre de 2022. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124532
L. C. Moreira, P. O. Borges, R. M. Cavalcante y A. F. Young, “Simulation and economic evaluation of process alternatives for biogas production and purification from sugarcane vinasse”, Renewable Sustain. Energy Rev., vol. 163, p. 112532, julio de 2022. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112532
Y.-H. Du, M.-Y. Wang, L.-H. Yang, L.-L. Tong, D.-S. Guo y X.-J. Ji, “Optimization and Scale-Up of Fermentation Processes Driven by Models”, Bioengineering, vol. 9, n.º 9, p. 473, septiembre de 2022. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.3390/bioengineering9090473
G. Wang, C. Haringa, H. Noorman, J. Chu y Y. Zhuang, “Developing a Computational Framework To Advance Bioprocess Scale-Up”, Trends Biotechnol., vol. 38, n.º 8, pp. 846–856, agosto de 2020. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.01.009
I. Rodríguez y G. Blázquez, Escalado de reactores químicos y biológicos. Granada: UGR, 2010.
J. Xia, G. Wang, M. Fan, M. Chen, Z. Wang y Y. Zhuang, “Understanding the scale-up of fermentation processes from the viewpoint of the flow field in bioreactors and the physiological response of strains”, Chin. J. Chem. Eng., diciembre de 2020. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.12.004
S. J. Allan, P. A. De Bank y M. J. Ellis, “Bioprocess Design Considerations for Cultured Meat Production With a Focus on the Expansion Bioreactor”, Frontiers Sustain. Food Syst., vol. 3, junio de 2019. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.3389/fsufs.2019.00044
Vertimiento de aguas residuales a las aguas terrestres y al alcantarillado — especificaciones, NC 27: 2012, Organismo Nacional de Normalización de la República de Cuba, La Habana, 2012.
M. Figueroa, O. Pérez, L. Zumalacárregui y A. Cruz, “Evaluación económica de la producción de levadura torula a partir de balances en secciones de la planta”, Rev. Cent. Azucar, vol. 49, n.º 3, pp. 90–99, 2022. Accessed el 22 de octubre de 2023. [Online]. Aviable: http://centroazucar.uclv.edu.cu/index.php/centro_azucar/article/view/717
A. Mishra, M. Kumar, N. S. Bolan, A. Kapley, R. Kumar y L. Singh, “Multidimensional approaches of biogas production and up-gradation: Opportunities and challenges”, Bioresource Technol., vol. 338, p. 125514, octubre de 2021. Accessed Oct. 11 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125514
A. Kasinath et al., “Biomass in biogas production: Pretreatment and codigestion”, Renewable Sustain. Energy Rev., vol. 150, p. 111509, octubre de 2021. Accessed Oct. 11 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111509
C. A. de Lemos Chernicharo y T. Bressani-Ribeiro, Eds., Anaerobic Reactors for Sewage Treatment: Design, Construction and Operation. IWA Publ., 2019. Accessed Oct. 11 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.2166/9781780409238
J. Pacheco, “Evaluación técnica de la eficiencia de remoción de materia orgánica de agua residual proveniente del Servicio Nacional Textil - SENATEX en un biorreactor UASB a escala laboratorio.”, Tesis de grado, Univ. Mayor SAn Andres, La Paz, 2023. [Online]. Aviable: http://repositorio.umsa.bo/xmlui/handle/123456789/31251
k.J. Fernández-Andreade et al. “Evaluation of mass transfer in packed column for competitive adsorption of Tartrazine and brilliant blue FCF: A statistical analysis”, Results Eng., vol.14, p.100449, junio de 2022. Accessed Oct. 19 2023. [Online] Aviable: https://doi.org/10.1016/j.rieng.2022.10044
C. Menéndez y S. Pires, Tratamientos de agua y Gestión y Tratamiento de residuos. La Habana: Ed. CUJAE, 2011. [Online]. Aviable: https://www.researchgate.net/profile/Carlos-Menendez-Gutierrez/publication/284188773_Tratamiento_de_Agua_y_Gestion_y_Tratamiento_de_Residuos/links/5655bda308aefe619b1b68d2/Tratamiento-de-Agua-y-Gestion-y-Tratamiento-de-Residuos.pdf
M. Fernández, “Diseño de un reactor anaerobio UASB para el aprovechamiento energético de residuos lácteos a escala piloto”, Tesis de grado, Univ. Central "Marta Abreu" Villas, Santa Clara, 2020. [Online]. Aviable: https://dspace.uclv.edu.cu/handle/123456789/19
N. Deliiski, N. Tumbarkova y G. Zlateski, “Computation by visual fortran of polinoms, obtained by means of software package Table Curve 2d”, Int. J. - Wood, Des. & Technol., Vol.7, No.1, pp. 15–22, 2018. [Online]. Aviable: http://94.149.148.70/en/wood_journal/archive/vol_7_no1/vol_7_no1_fulltext_3
A. Forero, “Diseño y construcción de un prototipo de biorreactor para determinación de coeficientes cinéticos de tratamiento de agua residual para el laboratorio de tratamiento de aguas de la Universidad Santo Tomás - Sede Bogotá”, Tesis de grado, UNIV. ST. TOMAS, Bogotá, 2021. Accessed el 10 de octubre de 2023. [Online]. Aviable: http://hdl.handle.net/11634/37718
Y. Pererva, C. D. Miller y R. C. Sims, “Approaches in Design of Laboratory-Scale UASB Reactors”, Processes, vol. 8, n.º 6, p. 734, junio de 2020. Accessed Oct. 19 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.3390/pr8060734
I. Dunn, E. Heinzle, J. Prenosil y I. J, Biological Reaction Engineering. Wiley, 2003.
T. T. U. Dinh, S. Soda, T. A. H. Nguyen, J. Nakajima y T. H. Cao, “Nutrient removal by duckweed from anaerobically treated swine wastewater in lab-scale stabilization ponds in Vietnam”, Sci. Total Environ., vol. 722, p. 137854, junio de 2020. Accessed el 13 de octubre de 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137854
X. Dai et al., “Biomethane production by typical straw anaerobic digestion: Deep insights of material compositions and surface properties”, Bioresource Technol., vol. 313, p. 123643, octubre de 2020. Accessed el 13 de octubre de 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123643
MathWorks. “MATLAB Documentation”. MathWorks - Makers of MATLAB and Simulink - MATLAB & Simulink. Accessed el 13 de octubre de 2023. [Online]. Aviable: https://www.mathworks.com/help/matlab/
I. Simeonov, “Laboratory experiments and mathematical modelling of anaerobic digestion of organic wastes in a cascade of two bioreactors”, Екологично инженерство и опазв. на околната среда, No.2, pp. 75–82, 2019. Accessed el 4 de octubre de 2023. [Online]. Aviable: http://ecoleng.org/archive/2019/2/75-82
Y. Tao et al., “Biogas productivity of anaerobic digestion process is governed by a core bacterial microbiota”, Chem. Eng. J., vol. 380, p. 122425, enero de 2020. Accessed el 13 de octubre de 2023. [Online]. Aviable: https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122425
