Maestría en Ingeniería Química · 2021
Escalamiento y efecto de los componentes del glicerol crudo sobre la productividad volumétrica en la fermentación de ácido láctico
El glicerol crudo (GlyC) es el principal subproducto en la producción de biodiesel a partir de aceites vegetales, actualmente este se considera un residuo industrial, lo que le otorga un gran potencial como materia prima para otros procesos. Una alternativa reciente para su valorización es la bioconversión del GlyC en metabolitos de interés industrial como lo es el ácido láctico (AL). No obstante, uno de los principales retos en su utilización es la variabilidad en su composición que depende de múltiples factores relacionados con la producción de biodiesel. Por otro lado, para la implementación de este bioproceso a gran escala existen desafíos en cuanto a su escalamiento asociados con la transferencia de calor y masa en los biorreactores. De igual forma, también se requiere conocer el comportamiento cinético microbiano para analizar la influencia de las variables químicas, físicas y operacionales. Por lo tanto, en el presente trabajo se realizó la caracterización fisicoquímica de tres GlyC colombianos, muestras (S1, S2 y S3), donde se encontró que la muestra S3 tenía mayor potencial como fuente de carbono por su alto contenido de glicerol y bajo contenido de impurezas. Luego se determinó la influencia de los componentes minoritarios en las fermentaciones de AL empleando la bacteria Lactobacillus Rhamnosus ATCC 7469 y se obtuvo que los jabones y fase orgánica (FO) tenían un efecto positivo en la productividad volumétrica del AL, por el contrario, el metanol ejercía un efecto negativo. Después se estudiaron las condiciones de agitación (190, 167 y 210 rpm) en cambios de escala de (500, 2500 y 5000 mL), mediante parámetros reológicos he hidrodinámicos empleando la dinámica computacional de fluidos. Por último, se realizó el ajuste de 6 modelos cinéticos en tres volúmenes de fermentación (25, 500 y 5000 mL) obteniendo los mejores resultados con el modelo tipo Tessier (T1).
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Contenido
- Introducciónp. 12
- 1.Objetivosp. 17
- 1.1Objetivo Generalp. 17
- 1.2Objetivos específicosp. 17
- 2.Cuerpo del trabajop. 18
- 2.1Marco referencialp. 18
- 2.1.1Glicerol crudo (GlyC)p. 18
- 2.1.2Impurezas del GlyC y su influencia en procesos fermentativosp. 20
- 2.1.4Escalamiento de procesos fermentativosp. 21
- 2.1.5Dinámica computacional de fluidos (CFD)p. 22
- 2.1.6Modelos cinéticosp. 22
- 2.2Metodología objetivo 1p. 24
- 2.2.2Caracterización del glicerol crudop. 24
- 2.2.3Propiedades físicas del glicerolp. 25
- 2.2.4Propiedades químicas del glicerolp. 26
- 2.2.5Activación e inóculop. 27
- 2.2.6Fermentacionesp. 28
- 2.2.7Cuantificación de biomasa, sustrato y productop. 28
- 2.2.8Análisis estadísticop. 29
- 2.3Metodología objetivo 2p. 30
- 2.3.1Fermentacionesp. 30
- 2.3.2Efecto individual de los componentes minoritariosp. 30
- 2.3.3Efecto de los jabonesp. 31
- 2.3.4Efecto del metanolp. 32
- 2.3.5Efecto de la FOp. 33
- 2.3.6Efecto del KCl y del NaClp. 33
- 2.3.7Efecto de la interacción de los componentes minoritariosp. 34
- 2.3.Diseño de experimentosp. 35
- 2.3.9Cuantificación de biomasa, sustrato y metabolitosp. 36
- 2.3.10Análisis estadísticop. 37
- 2.4Metodología objetivo 3p. 37
- 2.4.Fermentacionesp. 37
- 2.4.2Cuantificación de biomasa, sustrato y productop. 37
- 2.4.3Análisis estadísticop. 38
- 2.4.Escalamientop. 38
- 2.4.5Análisis de parámetros reológicos hidrodinámicosp. 38
- 2.4.6Análisis CFDp. 40
- 2.4.6.1Diseño geométricop. 40
- 2.4.6.2 Definición del dominio rotatoriop. 41
- 2.4.6.3 Selección de la malla y el paquete de fluidosp. 41
- 2.4.6.4 Simulaciónp. 42
- 2.5Metodología objetivo 4p. 42
- 2.5.1Fermentacionesp. 42
- 2.5.2Estimación de los parámetros cinéticosp. 43
- 2.5.3Selección del modelop. 45
- 2.5.4Identificabilidad de los parámetros cinéticosp. 46
- 2.6Resultados objetivo 1p. 47
- 2.6.1Caracterización del glicerol crudop. 47
- 2.6.1.1 Propiedades físicas del glicerolp. 25
- 2.6.1.2 Propiedades químicas del glicerolp. 26
- 2.6.2Fermentaciónp. 51
- 2.6.2.1 Fermentación con GlyP y GlyC como fuente de carbonop. 52
- 2.7Resultados objetivo 2p. 58
- 2.7.1Efectos individuales de los componentes minoritariosp. 58
- 2.7.2Efecto de los jabonesp. 59
- 2.7.3Efecto del metanolp. 61
- 2.7.4Efecto de la FOp. 62
- 2.7.5Efecto de KCl y NaClp. 62
- 2.7.6Efectos de la interacción de los componentes minoritariosp. 63
- 2.8Resultados objetivo 3p. 72
- Fermentacionesp. 28
- Escalamientop. 38
- Análisis de parámetros reológicos e hidrodinámicos:p. 77
- Análisis CFDp. 40
- 2.8.4.1Diseño geométricop. 81
- 2.8.4. Diseño del dominio rotatoriop. 81
- 2.8.4.3 Selección de la malla y el paquete de fluidosp. 81
- 2.8.4. Simulaciónp. 82
- 2.9Resultados objetivo 4p. 88
- Resultados de las fermentacionesp. 88
- Resultados de la estimación de los parámetros cinéticosp. 91
- Resultados selección del modelop. 92
- Resultados análisis de identificabilidad de los parámetrosp. 95
- 3.Conclusionesp. 98
- Referencias Bibliográficasp. 100
- Tabla 1. Composición general de las muestras de glicerol crudo de distintos paísesp. 19
- Tabla 2. Composición general de las muestras de glicerol crudo de industrias colombianasp. 19
- Tabla 3. Concentraciones de jabón adicionado (g/L)p. 32
- Tabla 4. Concentraciones de metanol adicionado (g/L)p. 32
- Tabla 5. Concentraciones de FO adicionado (g/L)p. 33
- Tabla 6. Concentraciones de Cloruro de potasio (KCl) adicionado (g/L)p. 33
- Tabla 7. Concentraciones de Cloruro de sodio (NaCl) adicionado (g/L)p. 33
- Tabla 8. Factores y niveles evaluados en el CCDp. 36
- Tabla 9. Ecuaciones usadas para el análisis reológico he hidrodinámicop. 39
- Tabla 10. Dimensiones y configuraciones de los biorreactores de 500, 2500 y 5000 mLp. 40
- Tabla 11. Expresiones cinéticas aplicadas en la fermentación de ácido Lácticop. 45
- Tabla 12. Propiedades físicas del glicerol crudop. 47
- Tabla 13. Contenido de glicerol, metanol y fracción orgánicap. 48
- Tabla 14. Composición de la fracción orgánica con saponificaciónp. 49
- Tabla 15. Composición de la fracción orgánica sin saponificaciónp. 49
- Tabla 16. Análisis elemental del GlyCp. 50
- Tabla 17. Composición general de las muestras de GlyCp. 51
- Tabla 18. Valores máximos de parámetros de fermentacionesp. 53
- Tabla 19. Efecto de las concentraciones en la PAL con respecto al blancop. 59
- Tabla 21. ANOVA del diseño de superficie de respuestap. 65
- respuestap. 66
- aireaciónp. 72
- Tabla 24. Test multivariable de significanciap. 73
- Tabla 26. Test Tukey para la productividad de ácido lácticop. 75
- Tabla 27. Porcentajes de aumento en la productividad de ácido láctico entre los factoresp. 76
- Tabla 28. Resumen del escalamiento adimensionalp. 77
- Tabla 29. Parámetros medidos para el escalamientop. 78
- Tabla 30. Parámetros reológicos e hidrodinámicos calculadosp. 78
- Tabla 31. Criterio de selección de propuesta de mejora para 5000 mLp. 86
- Tabla 33. Porcentajes de eficiencia de la distribución de la velocidad en el fluidop. 88
- Tabla 34. Porcentajes de eficiencia de la distribución de la velocidad en las paredesp. 88
- Tabla 35. Estimación de parámetros cinéticos en la fermentación de ácido Lácticop. 92
- Tabla 36. Resultados del criterio de selección AICp. 93
- Tabla 37. Rendimientos y constantes de mantenimiento para el modelo tipo T1p. 93
- volúmenes de 500 y 5000 mLp. 98
- Figura 1. Métodos de caracterización fisicoquímicos del GlyCp. 25
- Figura 3. Reacciones químicas que se producen en el fraccionamiento de glicerol crudop. 32
- Figura 4. Captación de sustrato para formación de producto, (Doran, 2007)p. 43
- Figura 5. Curva de calibración de densidad óptica vs concentración de biomasap. 52
- Figura 6. Logaritmo natural de la densidad óptica en función del tiempop. 53
- Figura 7. Concentración de glicerol en función del tiempop. 54
- Figura 8. Concentración de ácido láctico en función del tiempo hasta la t=60 hp. 55
- Figura 9. Perfiles de pH en función del tiempop. 56
- Figura 10. Porcentaje de conversión de glicerolp. 57
- Figura 11. Productividad de ácido láctico en función del tiempop. 58
- productividad del ácido lácticop. 60
- Figura 13. Diagrama de Pareto para efectos estandarizadosp. 65
- Figura 14. Superficies de respuesta para la productividad de ácido lácticop. 67
- Figura 15. Perfiles de deseabilidad para la productividad de ácido lácticop. 70
- volúmenes de fermentaciónp. 77
- fermentaciones aerobias y anaerobiasp. 74
- Figura 18. Relación volumen de fermentación versus tiempo de mezclap. 80
- Figura 19. Aplicación de booleanos en el diseño geométrico de los biorreactoresp. 81
- fermentación de 500, 2500 y 5000 mL con malla de tamaño normalp. 82
- Figura 21. Perfil de velocidad para biorreactor con volumen de fermentación de 500 mLp. 82
- Figura 22. Perfil de velocidad para volumen de fermentación de 2500 mLp. 83
- Figura 23. Perfil de velocidad para volumen de fermentación de 5000 mLp. 85
- implementación de las mejorasp. 87
- Figura 25. Curva de concentración de AL en función del tiempop. 89
- Figura 26. Curva de concentración de biomasa en función del tiempop. 90
- Figura 27. Curva de concentración de GlyC en función del tiempop. 90
- ajustado para el volumen de 25 mLp. 94
- ajustados para el volumen de 500 mLp. 94
- ajustados para el volumen de 5000 mLp. 95
- volumen de 25 mLp. 94