Modelado de los efectos del flujo convectivo sobre los fenómenos de transporte de masa y reacción en una biopelícula

Abstract

A biofilm is an accumulation of cells of microorganisms and inorganic compounds forming a, fixed to a surface polymer matrix. The study of such systems has focused on biofilms describe as biological catalysts; however it is known that the presence of these films in flow systems changes its hydrodynamic behavior. This phenomenon might be associated with change in Reynolds number caused by convective flows within the biofilm. Based on this idea, it is proposed to describe a biofilm reactor as a homogeneous pseudo-permeable fixed bed, in order to find the concentration profiles and speed in the polymeric network forming biofilm. Depending on the speed within the biofilm, the substrate concentration profiles may predict for either flows in laminar or turbulent. Used to describe the kinetics of substrate consumption is first order and non-linear kinetic data from the literature are used to validate the model developed. The study results refer to the concentration profiles within the biofilm, which are expected to be scattered due to convective flow, these concentration profiles are the result of the addition of two contributions, the first dependent phenomenon reaction-diffusion and second, dependent phenomenon convective flow within the biofilm.

Una biopelícula es la acumulación de células de microorganismos y compuestos inorgánicos formando una matriz polimérica, fijas a una superficie. El estudio de este tipo de sistemas se ha enfocado a describir las biopelículas como catalizadores biológicos; sin embargo se sabe que la presencia de estas películas en sistemas de flujo cambia su comportamiento hidrodinámico. Este fenómeno podría estar asociado al cambio en el número de Reynolds causado por flujos convectivos dentro de la biopelícula. En base a esta idea, se propone describir una biopelícula como un reactor de lecho fijo permeable pseudo-homogéneo, con el objetivo de encontrar los perfiles de concentración y de velocidad en la red polimérica que conforma la biopelícula. Dependiendo de la velocidad dentro de la biopelícula, los perfiles de concentración del sustrato se podrán predecir, ya sea para flujos en régimen laminar o turbulento. La cinética usada para describir el consumo del sustrato es de primer orden y de cinética no lineal, datos de la literatura son utilizados para validar el modelo desarrollado. Los resultados del estudio se refieren a los perfiles de concentración dentro de la biopelícula, los cuales se espera sean dispersos debido al flujo convectivo, estos perfiles de concentración son el resultado de la adición de dos contribuciones, la primera dependiente del fenómeno de reacción-difusión y la segunda, dependiente del fenómeno de flujo convectivo dentro de la biopelícula.