Evaluation of microalgal mortality in a centrifugal pump of a tubular photobioreactor

Las bombas centrífugas son de gran utilidad industrial y dentro de sus aplicaciones se puede encontrar el bombeo de fluidos que contienen microorganismos vivos en suspensión. Sin embargo, este tipo de bombeo puede afectar el desarrollo de los microorganismos, ya que genera altos esfuerzos cortantes,...

Full description

Autores:
Ramírez Duque, José Luis
Marín Quintero, David Alberto
García Pulido, Cristian Hernán
Tipo de recurso:
Article of journal
Fecha de publicación:
2012
Institución:
Universidad Autónoma de Occidente
Repositorio:
RED: Repositorio Educativo Digital UAO
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:red.uao.edu.co:10614/11872
Acceso en línea:
http://red.uao.edu.co//handle/10614/11872
Palabra clave:
Bombas centrífugas
Centrifugal pumps
Esfuerzo cortante
Fotobiorreactores
Bio-masa microalgal
Dinámica de fluidos computacional
Shear stress
Photobioreactors
Microalgae biomass
Computational fluid dynamics (CFD)
Rights
openAccess
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description Las bombas centrífugas son de gran utilidad industrial y dentro de sus aplicaciones se puede encontrar el bombeo de fluidos que contienen microorganismos vivos en suspensión. Sin embargo, este tipo de bombeo puede afectar el desarrollo de los microorganismos, ya que genera altos esfuerzos cortantes, que no son soportables por sus paredes celulares, lo cual se traduce en una elevada mortalidad celular. En este artículo se analizó computacionalmente una bomba centrífuga utilizada para el bombeo de cultivos microalgales en fotobiorreactores tubulares. Para ello, se modeló la geometría tanto de la voluta como del impeler en CAD, para posteriormente efectuar una simulación en CFX según las condiciones de operación de un fotobiorreactor. La evaluación de la distribución de velocidad y de los esfuerzos cortantes dentro de la bomba llevó a concluir que es inviable la utilización de estos mecanismos de bombeo, dada la alta mortalidad que se puede presentar para ciertas especies microalgales, como es el caso de la Chaetoceros muel-leri, en la cual su viabilidad se puede reducir hasta niveles del 52%
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Para ello, se modeló la geometría tanto de la voluta como del impeler en CAD, para posteriormente efectuar una simulación en CFX según las condiciones de operación de un fotobiorreactor. La evaluación de la distribución de velocidad y de los esfuerzos cortantes dentro de la bomba llevó a concluir que es inviable la utilización de estos mecanismos de bombeo, dada la alta mortalidad que se puede presentar para ciertas especies microalgales, como es el caso de la Chaetoceros muel-leri, en la cual su viabilidad se puede reducir hasta niveles del 52%Industrially, the centrifugal pumps are very useful and within their applications, it can be found pumping fluids containing living microorganisms in suspension. However, this type of pumping can affect the growth of microorganisms because it generates high shear stresses, which are not supported by their cell walls, resulting in high cell mortality. In this article, we analyzed computationally a centrifugal pump used for pumping microalgal cultures in tubular photo-bioreactors. To do this, we modeled in CAD both the impeller and the volute; and then we conducted a simulation in CFX under the operation conditions of a photobioreactor. The evaluation of the velocity distribution and shear stresses inside the pump, led to conclude that it is impractical to use these pumping mechanisms, due to the high mortality rate that is expected for some microalgae species, such as the Chaetoceros muelleri; for which its viability can be reduced to levels of 52%"application/pdf16 páginasspaPontificia Universidad JaverianaIngeniería y Universidad. Volumen 16 número 2, (julio-diciembre 2012) páginas 333-347347233316Ramírez Duque, J. L., Marín Quintero, D. A., García Pulido, C.H.(2012). Evaluation of Microalgal Mortality in a Centrifugal Pump of a Tubular Photobioreactor. Ingeniería y Universidad. 16( 2), 333-347. http://red.uao.edu.co//handle/10614/11872Ingeniería y UniversidadBURLEW, J. S. Algal culture from laboratory to pilot plant. Washington: Carnegie Institution, 1953.CAMACHO, F.; ACIÉN, F. G.; SÁNCHEZ, J. A. et al. Prediction of dissolved oxygen and carbon dioxide concentration profiles in tubular photobioreactors for microalgal culture. Biotechnology and Bioengineering. 1999, vol. 62, no. 1, pp. 71-86.CONTRERAS, A.; GARCÍA, F.; MOLINA, E. et al. Interaction between CO2 -mass transfer, light availability, and hydrodynamic stress in the growth of Phaeodactylum tricornutum in a concentric tube airlift photobioreactor. Biotechnology and Bioengineering. 1998, vol. 60, no. 3, pp. 317-325.DEMIRBAS, A. Importance of biodiesel as transportation fuel. Energy Policy. 2007, vol. 35, no. 9, pp. 4661- 4670.GARCÍA, F.; GALLARDO, J. J.; SÁNCHEZ, A. et al. Determination of shear stress thresholds in toxic dinoflagellates cultured in shaken flasks Implica tions in bioprocess engineering. Process Biochemistry. 2007, vol. 42, pp. 1506-1515.GUDIN, C. and CHAUMONT, D. Cell fragility - the key problem of microalgae mass production in closed photobioreactors. Bioresource Technology. 1991, vol. 38, no. 7-8, pp. 145-151.MATAIX, C. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. México: Alfaomega-Oxford, 2005.MAZZUCA, T.; GARCÍA, F.; MOLINA, E. et al. Effects of agitation on the microalgae Phaeodactylum tricornutum and Porphyridium cruentum. Bioprocess and Biosystems Engineering. 2006, vol. 28, no. 4, pp. 243-250.MICHELS, M.; VAN DER GOOT, A.; NORSKER, N. H. et al. Effects of shear stress on the microalgae Chaetoceros muelleri. Bioprocess and Biosystems Engineering. 2010, vol. 33, no. 8, pp. 921–927.MITSUHASHI, S.; HOSAKA, K.; TOMONAGA, E. et al. Effects of shear flow on photosynthe sis in a dilute suspension of microalgae. 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