Resumen de Caracterización mediante simulaciones numéricas (CFD) del comportamiento fluidodinámico y del régimen de luz en fotobiorreactores destinados al cultivo de microalgas: Aplicación a la mejora de la productividad
Los fotobiorreactores (FBR) tubulares y de tipo raceway han sido objeto de numerosos estudios que han permitido conocer cómo influye el patrón de mezcla durante su operación en aspectos como la distribución de nutrientes, el intercambio de calor y gases, y la prevención de incrustaciones durante períodos prolongados.
También se ha incidido en estudiar de qué forma la potencia suministrada para alcanzar una adecuada mezcla afecta a la circulación del cultivo, la transferencia de masa y, hasta cierto punto, al comportamiento de la fluidodinámica en estos sistemas. Del análisis exhaustivo de estos trabajos previos se infiere que la principal limitación de los FBRs reside en que el patrón de mezcla alcanzado resulta inadecuado para la transición rápida entre zonas de luz y oscuridad (régimen de luz) necesaria para que las células de microalgas utilicen la luz de manera eficiente. Las zonas oscuras y luminosas coexisten dentro de los fotobiorreactores porque los cultivos de microalgas son ópticamente densos; esto ocasiona que la luz disponible para el crecimiento sea notablemente inferior a la luz incidente. La interacción entre la fluidodinámica y la distribución de luz en cultivos densos de microalgas influye en gran medida sobre la productividad; sin embargo, son escasos los estudios que han abordado en profundidad este fenómeno. Esto se debe a que cuantificar el efecto del régimen de luz en el rendimiento fotosintético de las microalgas requiere un estudio muy detallado de los patrones de mezcla, que solamente pueden obtenerse mediante el uso de avanzadas herramientas de cálculo, como la dinámica de fluidos computacional (CFD).
En esta Tesis Doctoral se lleva a cabo una caracterización rigurosa de cómo la fluidodinámica en los fotobiorreactores tubulares y raceway determina el régimen de luz que afecta a las células de microalgas. Para evaluar con precisión la eficiencia del movimiento de las microalgas, se acopla el patrón de mezcla con la distribución de luz, y se obtiene el historial de luz (I(t)); posteriormente, se utiliza un modelo dinámico de crecimiento para evaluar la respuesta fotosintética correspondiente al historial de luz real I(t). Para obtener I(t), se requiere una descripción de la distribución de luz dentro de los FBRs y de la posición de las células de microalgas a lo largo del tiempo. Utilizando CFD, se determina la posición de partículas virtuales que simulan microalgas, disponiendo, por tanto, de la trayectoria completa seguida en el interior del FBR por una población de células estadísticamente significativa. En este trabajo también se analiza la dinámica de la fotosíntesis para explorar si es posible una situación de "integración de luz" y, de esta forma, evaluar adecuadamente el potencial de crecimiento de una cepa de microalgas en cultivos densos. Todo ello está orientado a avanzar en el desarrollo de ambos tipos de FBRs, ajustando con precisión su diseño y condiciones de operación para lograr la viabilidad económica. Además, se busca proporcionar una visión clara de cómo de adecuado es el régimen de luz en los FBRs actuales y hasta qué punto su diseño podría mejorarse para incrementar el rendimiento fotosintético. Para tal fin, se evalúan los factores de integración en una amplia gama de diámetros (en fotobiorreactor tubular), velocidades de circulación y concentraciones de biomasa, y se emplean para predecir la productividad óptima.
Los resultados presentados en esta Tesis Doctoral, obtenidos acoplando la dinámica de fluidos computacional a un modelo dinámico de fotosíntesis, han permitido demostrar que los fotobiorreactores tubulares y raceway son dispositivos donde se produce una mezcla deficiente del cultivo de microalgas. Asimismo, se ha comprobado que, en ambos tipos de FBR, la frecuencia de los desplazamientos de amplitud significativa alcanza un valor reducido comparado con la frecuencia característica de las cepas de microalgas más tolerantes, lo que conduce a una baja eficiencia fotosintética. Por tanto, existe margen para un aumento en la productividad que podría hacer a estos sistemas de cultivo competitivos económicamente.
Se constata, además, que incluir la influencia del régimen de luz mediante el uso de modelos dinámicos de fotosíntesis es esencial para un diseño correcto de FBRs. Adicionalmente, se presenta un procedimiento simplificado que permite tener en cuenta el factor de integración (y, por tanto, del régimen de luz) en fotobiorreactores tubulares, utilizando gráficos de estimación o correlaciones simples que ayudan a ahorrar tiempo y recursos durante el proceso de diseño. La aplicación de los planteamientos propuestos, a partir de los resultados obtenidos en el FBR tubular, posibilita favorecer la viabilidad económica de la producción de biomasa de microalgas en este, así como optimizar su diseño y gestión.
