Difusión de sólidos y convección térmica en el modelo de simulación de bioreactores

Abstract

La fermentación anaeróbica de resíduos orgánicos por medio de bioreactores se ha tornado en una atractiva fuente de combustibles gaseosos aplicables a generación eléctrica y calefacción de bajo impacto ambiental, principalmente en países en vías de desarrollo en los que se registran millones de estos dispositivos en operación. Consecuentemente se originó en la industria un gran interés en la búsqueda de modelos matemáticos aplicables a la optimización paramétrica del proceso y a su simulación. Recientemente, en Argentina, fue logrado un refinamiento a metodologías típicas de optimización de la concentración de sustrato empleada a través de una Función de Filtro de Butterworth. La difusión de sólidos en agua y la convección térmica en el seno de la solución, son incorporadas en este trabajo a la simulación del proceso a través de un modelo en elementos finitos del reactor. La representación no-adiabática de éste incorpora además las dinámicas de inyección de solución fresca, eyección de lodos, operación del serpentín calefactor, transitorios de expansión gaseosa (entre reactor y tanque de gas) y no-linealidades de la reacción. El algoritmo, digitalmente implementado como un módulo del Analizador ⇐SCS⇒, es ensayado con datos del prototipo de bioreactor de 64 metros cúbicos de UTN Confluencia. Se sugieren futuras mejoras al modelo.

Anaerobic fermentation of organic waste in bioreactors has become an attractive source of gaseous fuels applicable to lowenvironmental- impact electric generation and heating, mainly in developing countries where records are of millions of these devices in operation. As a consequence a great deal of interest came about in the industry in search of mathematical models applicable to both, the process’ parametric optimization and its simulation. A refinement to typical methodologies applied to define the reactor’s solution optimum substrate concentration was recently attained in Argentina by means of an algorithm based on a Butterworth Filter Function. Solid diffusion in water and thermal convection are introduced in this article to the process’ simulation by means of a finite-element reactor model. The reactor’s non-adiabatic model includes besides freshsolution- injection and mud-ejection dynamics, heating-coil operation, gas expansion transients (among the reactor’s top and the gas tank) as well as the reaction’s non-linearities. The digital implementation of the algorithm as a module of the ⇐SCS⇒ Analyzer is tested with the Confluencia Tech University 64 cubic-meter reactor-prototype data. Future model improvements are suggested.