Modelación de la cinética y fenómenos de transporte en un reactor que utiliza un proceso de electrofermentación

Abstract

El proceso de electrofermentación consiste en la manipulación del metabolismo de microorganismos añadiendo un electrodo al biorreactor para transferir electrones desde el electrodo, pasando al medio extracelular, hasta el intracelular. La razón de este procedimiento es suministrar los electrones necesarios para mejorar el rendimiento del producto deseado si este se encuentra limitado por la disponibilidad del poder reductor, ya que en la mayoría de los casos, la biosíntesis del producto de interés se encuentra desbalanceada en término de reacciones redox, generando menos electrones de los que consume. Esta última se le conoce como electrosíntesis microbial o MES [1, 2, 3]. Aunque existen diversos reportes de procesos de electrofermentación a nivel de laboratorio y piloto, no hay documentación de la realización del proceso a escala industrial [4]. Por lo tanto, para dar un acercamiento al escalamiento del biorreactor, se desea plantear un modelo matemático que describa la cinética y fenómenos de transporte que ocurren en el reactor y el medio extracelular. A partir de lo anterior, el objetivo del presente trabajo es formular un modelo matemático que incluya las ecuaciones cinéticas de electrofermentación, considerando las condiciones hidrodinámicas y correspondiente régimen de mezcla para una configuración de electrobiorreactor. Esto considerando la realización de una simulación numérica y un análisis de sensibilidad de los parámetros del sistema de ecuaciones diferenciales parciales (EDP’s). Para llevar a cabo las simulaciones, se utilizó el Cluster Wigner del Profesor Enrique Muñoz, del Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Chile. La simulación en estado transciente y un flujo laminar dio como resultado una acumulación de cationes en zonas cercanas a la placa, mientras que los aniones se ven repelidos, impidiendo su movimiento hacia el electrodo. Se determinó que los coeficientes de difusión y el voltaje aplicado al electrodo son los factores que más influyen en el transporte de los electrolitos. La concentración del bulk es el parámetro que más altera el potencial eléctrico por las densidades de carga que genera. Las constantes cinéticas relacionadas a la reacción enzimática afectan a la condición de borde del flux de cationes en la placa, donde afecta directamente a la tasa de electrodeposición de cargas positivas en el electrodo. Se determinó que se deben realizar estudios de estabilidad, ya que el modelo simulado presenta errores numéricos que impiden la realización de la simulación completa en los valores de borde de la placa. Además, es necesario el uso combinado de un método explícito e implícito de diferencias finitas para la resolución del sistema de ecuaciones.