Estudio de la mecánica de fluidos y los efectos de un hidrociclón en el crecimiento de la microalga Scenedesmus incrassatulus.

Abstract

En este trabajo se plantea el uso del hidrociclón como fotobiorreactor, para ello se desarrolló un sistema que permitió estudiar la mecánica de fluidos dentro de un hidrociclón. Considerando los resultados obtenidos, se pudieron establecer las condiciones de operación para evaluar el crecimiento de la microalga Scenedesmus incrassatulus dentro del sistema. Este estudio se realizó en el laboratorio de Biotecnología de Microalgas del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional Unidad Zacatenco. El desarrollo del estudio descrito en este trabajo se dividió en cuatro etapas: 1) diseñar y construir la instalación y el reactor hidrociclón (RH), 2) instrumentar la instalación y caracterizar los sensores de flujo, 3) visualizar el flujo de fluidos desarrollado dentro del RH y determinar las condiciones de la cinética de crecimiento y 4) evaluar el crecimiento de Scenedesmus incrassatulus dentro del RH. El diseño de la instalación se dividió en cuatro sistemas; hidráulico, neumático, iluminación y soporte. Por su parte, el RH fue diseñado con dos entradas tangenciales opuestas, la primera suministra el medio de cultivo y la segunda abastece el aire de forma que la interacción entre los dos flujos favorece el mezclado, el cual a su vez propicia el crecimiento de las microalgas. Se instrumentó la instalación utilizando manómetros para medir la presión, mientras que el monitoreo del flujo se realizó con un arreglo de sensores de efecto Hall, un Arduino Nano y una pantalla de LCD. Con ello se evaluó el sistema en diferentes condiciones del caudal (𝐹1 entre 2.5 – 6.4 l / min) mediante la visualización del flujo de fluidos utilizando una cámara de alta velocidad. En esta etapa se encontraron patrones de flujo dentro del sistema y determinaron las condiciones para evaluar el crecimiento celular. Las cinéticas de crecimiento de Scenedesmus incrassatulus se realizaron en botellas de cara plana Schott® y el RH bajo las mismas condiciones de iluminación (𝐼 = 130 μmol / m2 s = 28.88 W / m2) y alimentación (medio PCG). Se evaluó el desarrollo del cultivo mediante la cuantificación de los pigmentos y el peso seco. Los resultados mostraron que la velocidad específica de crecimiento (𝜇) en la botella de cara plana fue mayor que en el RH, sin embargo la concentración de clorofila a y b en el RH fue mayor que en la botella. Esto expone la capacidad del sistema para el cultivo de microalgas y la generación de compuestos específicos. Abstract In this work the use of the hydrocyclone as a photobioreactor is proposed, for this purpose a system was developed which allowed to study the fluid mechanics inside of one hydrocyclone. Considering the results obtained, it could be established the operational conditions to assess the growth of the microalgae Scenedesmus incrassatulus inside the system. This study was made in the Microalgae Laboratory of the Biotechnology and Bioengineering Department at the Center of Research and Advanced Studies of the National Polytechnic Institute Campus Zacatenco. The development of the study described in this work was divided into four steps: 1) design and make the installation and the hydrocyclone-reactor (RH), 2) arrange the installation and characterize the flow-sensors, 3) visualize the fluids flow developed inside the RH and determine the growth kinetics conditions and 4) asses the growth of Scenedesmus incrassatulus inside the RH. The installation’s design was divided in four systems; hydraulic, pneumatic, lighting and holder. Meanwhile, the RH was designed with two tangential opposite inlets, the first one supplies the culture medium and the second one dispenses the air so that the interaction between the two flows stimulates the mixing, which in turn propitiates the microalgae’s growth. The installation was instrumented with manometers to measure pressure, while the flow-monitoring was made with a Hall-effect-sensors array, an Arduino Nano and one LCD-display. With that the system was evaluated around different flow conditions (𝐹1 between 2.5 – 6.4 l / min) through the fluids flow visualization using a high-speed camera. In this step flow patterns were found and the conditions to assess the cellular growth were established. The growth-kinetics of Scenedesmus incrassatulus were made in Schott® flat-face glass bottles and the RH under the same lighting (𝐼 = 130 μmol / m2 s = 28.88 W / m2) and feeding (PCG medium) conditions. The culture development was evaluated thru the pigment and the dry weight quantification. The results showed that the specific growth rate (𝜇) was larger in the flat-face bottle than in the RH, however the concentration of chlorophyll a and b were bigger in the RH than in the flat-face bottle. It exposes the system capacity to the microalgae culturing and the generation of specific compounds.