Modelado de las etapas iniciales del proceso de composteo en un biorreactor por lotes

Abstract

El presente trabajo propone un modelo matemático para el proceso de composteo en un biorreactor tubular basado en el trabajo desarrollado por Vidriales-Escobar et al. (2017). El biorreactor se considera un sistema bifásico en donde la fase gas aporta el oxígeno y en la fase sólido-líquido crecen los microorganismos tras consumir el sustrato y el oxígeno disuelto.

El modelo matemático propuesto describe las variaciones temporales y espaciales (i.e., variaciones axial y radial) de la temperatura, las concentraciones de oxígeno y agua en ambas fases, así como las concentraciones de microorganismos y sustrato en la fase sólido-líquido. La limitación del crecimiento microbiano por consumo de sustrato se modeló mediante la ecuación de Contois, mientras que la ecuación de Monod se empleó para describir la limitación por consumo de oxígeno soluble. Además, el crecimiento microbiano se encuentra acotado por temperaturas y humedades críticas del sistema.

El modelo propuesto se resolvió en COMSOL Multiphysics® mediante el método de elemento finito y fue sensible a las variaciones de la velocidad máxima de crecimiento microbiano (μm), el rendimiento de sustrato-biomasa (YS/X), la temperatura ambiente (Tamb) y la concentración inicial de agua en la fase sólido-líquido (ws0). La modificación del rendimiento oxígeno-sustrato (YO/S) sólo afectó el consumo de oxígeno por parte de los microorganismos.

Finalmente se realizó un análisis de diseño del biorreactor para tres casos en los que el volumen total fue constante. En el análisis se modeló el decaimiento logarítmico decimal teórico de Salmonella para cada caso y se estudió la modificación de: i) la velocidad intersticial de la fase gas (vi), ii) la fracción másica de agua inicial en la fase sólido líquido a partir del cambio de la concentración de agua inicial (ws0) y la relación inicial biomasa-sustrato (X0/S0) y iii) el coeficiente global de transferencia de calor (U).

Considerando el material del reactor modelado (i.e., PVC), el aumento en el grado de aislamiento del reactor resultó ser la opción más adecuada para obtener un apropiado grado de higienización del sistema bajo las condiciones originales de operación.

A mathematical model to describe a composting process in a tubular bioreactor is proposed in this work. This model is based on the previous work by Vidriales-Escobar et al. (2017) and it considers the bioreactor as a biphasic system in which the gas phase provides the oxygen, whereas in the solid-liquid phase the microorganisms grow by consuming the substrate and dissolved oxygen. The mathematic model describes temperature, oxygen, and water concentrations changes in both phases, as well as microorganisms and substrate concentrations in solid-liquid phase as a function of time and position in the reactor (i.e., axial and radial variations). Contois-type relation was employed to model substrate concentration inhibition, while for the oxygen concentration a Monod-type was used. In addition, microbial growth is a function of critical temperature and humidity of the composting system. The composting model proposed was solved in COMSOL Multiphysics® by finite element method. It was sensitive to the changes of maximum growth rate (μm), substrate to biomass yield (YS/X), ambient temperature (Tamb) and initial concentration of water in the solid-liquid phase (ws0). The modification of oxygen-substrate yield (YO/S) influenced merely the consumption of oxygen by microorganisms. Finally, a design analysis of the bioreactor was performed for three cases, in which the total volume was constant. In the analysis, a theoretical logarithmic decimal decay of Salmonella was performed for each case. The study consisted in the change of: i) the interstitial gas velocity (vi), ii) the initial mass fraction of water in the solid-liquid phase by varying the initial concentration of water (ws0) and the initial biomass-substate relation (X0/S0) and iii) the global heat transfer coefficient (U). Considering the material of the bioreactor (i.e., PVC), the increase of its isolation was the most proper alternative to achieve an adequate sanitization of the composting system, under the original operation condition.