Aplicación de CFD en el modelado de biorreactores

Aplicación de CFD en el modelado de biorreactores

Un caso de estudio en relación a CFD en el modelado de biorreactores , se utilizó una combinación única de diseño de experimentos (DOE) y CFD para definir un espacio de diseño con respecto a lograr un coeficiente de transferencia de masa (kLa) promediado por volumen objetivo.

En otro estudio de caso, se utilizaron herramientas CFD, como computación paralela y mallas adaptativas no estructuradas, para hacer un uso eficiente de la potencia computacional para calcular la retención de gas, el diámetro medio de la burbuja de Sauter, el coeficiente de transferencia de masa gas-líquido, y estructura de flujo utilizando el modelo MRF con balance de población.

Aquí, el modelo de múltiples marcos de referencia se ha utilizado para modelar la región del impulsor.

En un caso más de estudio, la capacidad predictiva del modelo se mejora al incluir explícitamente (i) la geometría del impulsor en el modelo, y (ii) el coeficiente de arrastre promedio (CD) de la fuerza interfacial en lugar de la correlación del coeficiente de arrastre estándar (basado en en ascenso a través de un líquido estancado).

El modelo resultante es significativamente mejor ya que la correlación del coeficiente de arrastre estándar no considera las continuas aceleraciones y desaceleraciones experimentadas por la burbuja debido a los remolinos turbulentos.

La mezcla óptima en el modelado de biorreactores es una necesidad para lograr una transferencia de masa eficiente de oxígeno a las células y mantener la uniformidad de la concentración de oxígeno y otros nutrientes en todo el reactor.

Sin embargo, el exceso de mezcla también puede dañar las células sensibles al cizallamiento.

La CFD se ha utilizado a menudo como herramienta para modelar la hidrodinámica local, la mezcla, la agitación y la transferencia de masa en el biorreactor.

El espacio de diseño se ha definido como “una combinación e interacción multidimensional de variables de entrada y parámetros de proceso que se ha demostrado que proporcionan garantía de calidad”.

En un estudio reciente, los autores utilizaron un enfoque multifásico euleriano-euleriano en el modelado de biorreactores en el sistema bifásico gas-líquido.

La ecuación de Navier-Stokes se resolvió para ambas fases, incluido el término de intercambio de impulso de interfase en cada ecuación.

Para la turbulencia, se utilizó un modelo estándar de dos ecuaciones k–𝜀.

El modelo de turbulencia se utilizó solo para la fase continua y la fase dispersa se trató como laminar.

Para la fase continua se resolvieron la energía cinética turbulenta “k” y la tasa de disipación de energía turbulenta “𝜀”.

Esta suposición se basó en el hecho de que la fracción de volumen de la fase secundaria es demasiado baja en comparación con la fase continua y, por lo tanto, la diferencia de densidad entre las dos fases es bastante alta.

Se incluyó un modelado de biorreactores de balance de población en forma discreta para tener en cuenta la coalescencia y la rotura de burbujas en el reactor.

Dado que en la forma discreta, se requiere como entrada la distribución del tamaño de la burbuja, se aplicó un método de prueba y error para estimar la distribución del tamaño de la burbuja para que los resultados simulados coincidan con los resultados experimentales.

A continuación, se modeló el coeficiente de transferencia de masa global en función de la velocidad del impulsor, el caudal de gas y el nivel de líquido en el reactor.

Se tuvo cuidado con la calidad de la malla de modo que el factor de asimetría para la mayoría de las celdas fuera inferior a 0,5 y la relación de aspecto estuviera entre 1 y 2.

Para la región cercana al impulsor, se usó un marco de referencia giratorio para resolver las ecuaciones de gobierno, mientras que para la región a granel se usó un marco de referencia estacionario.

Inicialmente, se realizó un estudio de independencia de la red para averiguar el número mínimo de celdas que se deben utilizar en las simulaciones.

Se encontró que se requería un mínimo de 0,838 millones de células.

Se realizaron simulaciones en el modelado de biorreactores para diferentes velocidades de rotación del impulsor y diferentes caudales de entrada de gas.

Como se esperaba, se encontró que el valor del coeficiente de transferencia de masa era máximo cerca de la región del impulsor, mientras que el valor disminuía a medida que uno se alejaba de la región del impulsor.

Esto está de acuerdo con el entendimiento general de que hay más turbulencia presente cerca del impulsor y, por lo tanto, es posible un contacto eficiente entre las fases en esta región.

También están presentes grandes remolinos, que aumentan la frecuencia de colisión en esta región.

Otra observación de las simulaciones fue el predominio de la coalescencia sobre la rotura en el reactor.

Se encontró que el diámetro promediado en volumen de los datos de distribución del tamaño de la burbuja era de 0,0036 m, que es más alto que el de la burbuja con un diámetro de 3 mm formada en el rociador.

Los datos kLa del coeficiente de transferencia de masa promediado en volumen se modelaron en función del nivel de líquido en el reactor, la velocidad de rotación del impulsor y el caudal de entrada de gas utilizando el software JMP.

Se obtuvo una expresión que muestra el efecto de estos parámetros en el valor de kLa de la siguiente manera:

Aplicación de CFD en el modelado de biorreactores